專利名稱：：一種高頻3-3型復(fù)合壓電陶瓷元件的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明涉及一種壓電陶瓷制備方法，特別是涉及一種高頻用3—3型復(fù)合壓電壓電陶瓷材料及其制作方法。
背景技術(shù)：
：壓電陶瓷的機電效率高、溫度適用范圍廣、結(jié)構(gòu)緊湊、在現(xiàn)代超聲應(yīng)用領(lǐng)域中占有著重要的地位，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于醫(yī)學(xué)超聲、水聲等領(lǐng)域。不過傳統(tǒng)的壓電陶瓷聲阻抗率約為34X106Pa*s/m左右比水介質(zhì)(1.5X106Pas/m)大20倍左右，這使得制作出的換能器接收靈敏度和發(fā)射功率下降，頻帶變窄、余響冗長。壓電復(fù)合材料是壓電材料近年來興起的一種重要種類。美國賓州大學(xué)R.E.Newnham等人根據(jù)兩相或多相復(fù)合的連通方式，將壓電復(fù)合材料分為1_3、0—3、3—3、2—2等十種復(fù)合型式。目前這種分類法已為國際所公認(L.E.Crossetal.Jpn.J.Appl.Phys，1995,34:p2525p2532)。其中3—3型壓電復(fù)合材料由于聲阻抗低、能與介質(zhì)良好匹配，寬頻帶、低Q值，同時橫向耦合低，因而在水中或非金屬介質(zhì)上能獲得更簡單的勾稱窄脈沖和短余響的時間波形，具有很好的信號識別本領(lǐng)，在水聽器、無損超聲檢測、醫(yī)用超聲等領(lǐng)域有著良好的應(yīng)用前景。在lMHz以上的中高頻范圍，常用鋯釹酸鉛(簡稱PZT)壓電陶瓷的徑向模式對厚度模式的干擾是非常嚴重的，而且至今未見有抑制這種徑向基頻干擾的辦法。研究表明，3—3型壓電復(fù)合材料的多孔結(jié)構(gòu)能有效抑制了徑向和厚度模式之間的相互耦合，這使得壓電振子的振動模式單一，Q值低(相應(yīng)的帶寬寬)，在無損超聲檢測和醫(yī)用超聲應(yīng)用中有利于提高距離分辨率。莊詠廖等人發(fā)明了一種致密一多孔一致密夾心式結(jié)構(gòu)的3—3型壓電復(fù)合材料(中國專利，ZL85100703)，制作出的復(fù)合換能器在水聲和地質(zhì)勘探中均獲得了寬帶和高靈敏度的良好效果，具有很好的實用價值。但是，該方法制作的元件尺寸是一次性成型出來的，受致密層的制約，厚度不能太薄(通常厚度在2mm以上)，目前主要適用于lMHz以下的壓電元件。此外，致密層通常要占總厚度的10—20%,采用干壓一次成型制作厚度很薄的高頻元件時，想要進行后續(xù)的機械加工是極其困難的。研究表明，夾心式致密壓電復(fù)合材料的厚度越薄，機械強度降低，機械加工能力越低，因此，作為換能器核心元件的的3—3型壓電復(fù)合材料(夾心式的薄片壓電復(fù)合材料)，雖然性能優(yōu)異卻難以應(yīng)用于需要更高頻率的無損超聲檢測和醫(yī)用超聲的換能器(探頭)。
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的在于通過選擇合適粒徑的原料粉體混合于有機溶劑中，在保持原有夾心結(jié)構(gòu)的情況下，采用旋涂法制備致密層，克服已有技術(shù)中固體粉體作致密層干壓成型后難以制作薄片元件的問題，從而提供一種制作高頻用的3—3型復(fù)合的壓電元件的方法，該方法制得的3—3型壓電復(fù)合元件的厚度降低到0.2mm左右。本發(fā)明的目的是這樣實現(xiàn)的1)首先制備多孔結(jié)構(gòu)坯體取軟性壓電材料粉料與造孔劑混合；其中造孔劑的添加量和軟性壓電材料粉料重量比=1530:100;在充分混合均勻后，裝入模具中施加3000Kg4000Kg/cr^壓力成型，然后放在密閉的剛玉坩堝中，在高溫爐中以每小時2050'C的升溫速度直至60(TC進行排塑，燒結(jié)成多孔結(jié)構(gòu)坯體；2)配制膠體取一份與步驟l)相同的軟性壓電材料粉料，要求粉體粒徑在100nm以下，添加松油醇或者環(huán)酮類溶劑，乙基纖維素粘合劑，并充分混合均勻體，其中粉料溶劑粘合劑=1520:6070:1025(重量比);3)旋涂上下致密層由于多孔陶瓷的電極制作困難，因此需要制作致密層;通過旋涂工藝將步驟2)制備好的膠體，旋涂在步驟l)制得的多孔結(jié)構(gòu)的坯體上表面，制備出帶有上致密層的樣品；然后將樣品放入60100'C的烘箱中烘干，進一步將坯體的下表面也按同樣的方法，制得到帶有上、下致密層的素坯；對于上、下致密層的厚度，可以重復(fù)以上步驟多次而得到所需要的致密層厚度；4)排塑燒結(jié)將步驟3)制備好的素坯放入熱處理爐中將其有機物排除，排塑后的試樣在1200130(TC進行燒結(jié)，其中升溫速度控制在14tVmin，在燒結(jié)溫度保溫16小時；5)極化釆用常規(guī)軟性壓電材料的極化工藝，對步驟4)制得的元件進行極化，即在空氣中采用居里溫度附近施加1050v/mm的直流電壓進行極化，然后隨溫度的急速下降逐漸提供時間直流電壓，直至溫度下降到室溫時，直流電壓上升到每毫米300伏，得到3—3型壓電復(fù)合元件。在上述的技術(shù)方案中，所述的軟性壓電材料粉料是低價陽離子取代高價陽離子后的改性鋯鈦酸鉛壓電陶瓷，例如La3+取代Pb24、Nb5+取代Z,或Ti",由于對外場的順度大，性能較軟；該類材料參見B.Jaffeetal.PiezoelectricCeramics,AcademicPress,London,1971;在上述的技術(shù)方案中，所述的造孔劑為聚甲基丙烯酸甲料或者聚乙烯醇縮丁醛，其中造孔劑的粒度為100目以上。本發(fā)明與原有的夾心式復(fù)合材料方法相比，具有如下的優(yōu)點1、本發(fā)明所制作的復(fù)合壓電元件厚度能降低至0.2mrn，頻率可以高達10願z。這在超聲無損檢測和醫(yī)用超聲應(yīng)用領(lǐng)域極為重要，它能大大提高檢測的分辨率。2、本發(fā)明在多孔陶瓷坯體上采用濕化學(xué)旋涂方法制備致密膜層，因此，可以在多孔陶瓷尺寸調(diào)整合適后，再進行膜層的制作，這使得滿足性能和尺寸的元件制作具有更強的可控性。3、采用本發(fā)明制備的夾心式復(fù)合壓電元件能方便地調(diào)整致密層和多孔層的厚度，這為材料和器件的性能設(shè)計提供了更大的設(shè)計空間。圖1是本發(fā)明的3—3型復(fù)合壓電陶瓷元件結(jié)構(gòu)示意2是本發(fā)明的3—3型復(fù)合壓電陶瓷元件的掃描電鏡圖(SEM)圖面說明1-致密上膜層2-多孔結(jié)構(gòu)坯體3-致密下膜層具體實施方式下面結(jié)合實例對本發(fā)明作進一步的描述，但并非僅局限于實施例。實施例l:1.多孔結(jié)構(gòu)坯體的制作軟性壓電材料可以采用市場上購買的，也可以按照分子式為Pb(Li1/4Sb3/4)。.。5Zr。.4ji。.4703的軟性壓電材料的化學(xué)計量稱料，后用行星式球磨機混合10小時后，取出后進行900'C保溫2小時的溫度處理后，合成出上述配方的軟性壓電材料粉料，然后再用行星式球磨機細磨24小時后，混入粒度為120目的造孔劑聚甲基丙烯酸甲酯粉料,按重量比17:100添加造孔劑,充分混合均勻后，以3000Kg/ci^壓力成型并進行燒結(jié)，并以每小時20'C的升溫速度直至60(TC，保溫2小時后完成排塑，然后在密閉的剛玉柑堝中進行燒結(jié)得到坯體的多孔結(jié)構(gòu)坯體2，其中燒結(jié)溫度為1220—1300'C燒結(jié)時間為12小時;2.膠體的配制取一份相同的Pb(Lil/4Sb3/4)。.。521"。.4811。.4703軟性壓電材料粉料，在高能球磨機中至少球磨50小時以上，直至粉體粒徑在100nro以下，然后添加松油醇溶劑，乙基纖維素粘合劑，并充分混合均勻體，其中粉料溶劑粘合劑(重量比)=18:70:12;3.上下膜層的涂覆將制備好的膠體通過旋涂工藝在多孔結(jié)構(gòu)坯體2的上表面制備上致密層l，在勻膠機上以2000轉(zhuǎn)/分鐘的速度進行旋涂，旋涂時間為40秒，然后放入80'C的烘箱中烘干，重復(fù)以上步驟直至得到所需要致密層的厚度(l微米)，坯體的下致密層3(l微米)也按同樣的方法得到；4.排塑燒結(jié)將素坯放入熱處理爐中將其有機物排除，以每小時40。C的升溫速度直至60(TC,保溫2小時后完成排塑，排塑后的試樣在12201300'C度進行燒結(jié)，其中升溫速度控制在rC/min,在燒結(jié)溫度保溫12小時，所制得的元件最終尺寸為》15X厚度0.5mm,如圖1所示；5.極化對步驟4)制得的元件采用空氣高溫極化工藝，即在空氣中采用居里溫度附近施加約為幾十伏的直流電壓進行極化，然后隨溫度的急速下降逐漸提供時間直流電壓，直至溫度下降到室溫時，直流電壓上升到每毫米300伏，然后取下試樣24小時后進行性能測試。124(TC燒結(jié)2小時的3—3型復(fù)合壓電陶瓷元件的掃描電鏡圖(SEM)，如圖2所示。實施例2:軟性材料的組分選為Pb(MgwNb2,3)。.25Zr,Ti。.25,燒結(jié)溫度為12001280匸燒結(jié)時間為13小時，其余的制作方法和步驟與例1一樣。下面是例1和例2制備的復(fù)合材料的主要性能<table>tableseeoriginaldocumentpage6</column></row><table>權(quán)利要求1.一種高頻3-3型復(fù)合壓電陶瓷元件的制作方法，包括以下步驟1)首先制備多孔結(jié)構(gòu)坯體取軟性壓電材料粉料與造孔劑混合；其中造孔劑的添加量和軟性壓電材料粉料重量比＝15～30∶100；在充分混合均勻后，裝入模具中施加3000Kg～4000Kg/cm2壓力成型，然后放在密閉的剛玉坩堝中，在高溫爐中以每小時20～50℃的升溫速度直至600℃進行排塑，燒結(jié)成多孔結(jié)構(gòu)的坯體；2)配制膠體取一份與步驟1)相同的軟性壓電材料粉料，要求粉體粒徑在100nm以下，添加松油醇或者環(huán)酮類溶劑，乙基纖維素粘合劑，并充分混合均勻體，其中粉料∶溶劑∶粘合劑重量比＝15～20∶60～70∶10～25；3)旋涂上下致密層通過旋涂工藝將步驟2)制備好的膠體，旋涂在步驟1)制得的多孔結(jié)構(gòu)的坯體上表面，制備出帶有上致密層的樣品；然后將樣品放入60～100℃的烘箱中烘干，進一步將坯體的下表面也按同樣的方法，制得到帶有上、下致密層的素坯；對于上、下致密層的厚度，通過重復(fù)以上步驟多次而得到所需要的致密層厚度；4)排塑燒結(jié)將步驟3)制備好的素坯放入熱處理爐中將其有機物排除，排塑后的試樣在1200～1300℃進行燒結(jié)，其中升溫速度控制在1～4℃/min，在燒結(jié)溫度保溫1～6小時；5)采用常規(guī)軟性壓電材料的極化工藝進行極化對步驟4)制得的元件在空氣中，采用居里溫度附近施加10～50v/mm的直流電壓進行極化，然后隨溫度的急速下降逐漸提供時間直流電壓，直至溫度下降到室溫時，直流電壓上升到每毫米300伏為止，得到3-3型壓電復(fù)合元件。2.按權(quán)利要求1所述的高頻3—3型復(fù)合壓電陶瓷元件的制作方法，其特征在于所述的軟性壓電材料粉料是低價陽離子取代高價陽離子后的改性鋯鈦酸鉛壓電陶瓷，包括La"取代Pb2+、Nb5+取代Zr"或T廣的改性鋯鈦酸鉛壓電陶瓷。3.按權(quán)利要求1所述的高頻3—3型復(fù)合壓電陶瓷元件的制作方法，其特征在于所述的造孔劑為聚甲基丙烯酸甲料的改性鋯鈦酸鉛壓電陶瓷或者聚乙烯醇縮丁醛，其中造孔劑的粒度為100目以上。全文摘要本發(fā)明涉及高頻3-3型復(fù)合壓電陶瓷元件的制作方法，包括取軟性壓電材料粉料與造孔劑混合，裝入模具中施加3000Kg～4000Kg/cm²壓力成型，然后放在密閉的剛玉坩堝中，在高溫爐中以每小時20～50℃的升溫速度直至600℃進行排塑，燒結(jié)成多孔結(jié)構(gòu)的坯體；配制取與步驟1)相同的軟性壓電材料粉料，添加松油醇或者環(huán)酮類溶劑，乙基纖維素粘合劑，并充分混合均勻成膠體通過旋涂工藝將步驟2)制備好的膠體，旋涂在步驟1)制得的多孔結(jié)構(gòu)的坯體上、下表面，烘干制得到帶有上、下致密層的素坯；經(jīng)排塑燒結(jié)再進行極化得到3-3型壓電復(fù)合元件。該方法制得復(fù)合壓電元件厚度能降低至0.2mm，頻率可以高達10MHz。這在超聲無損檢測和醫(yī)用超聲領(lǐng)域中有著廣闊的應(yīng)用前景。文檔編號C04B35/632GK101267015SQ20071006433公開日2008年9月17日申請日期2007年3月12日優(yōu)先權(quán)日2007年3月12日發(fā)明者溫建強申請人:中國科學(xué)院聲學(xué)研究所