專利名稱：一種利用激光在玻璃基體表面制備鈮酸鉀鈉功能陶瓷薄膜的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及ー種功能陶瓷制備方法，特別涉及鈮酸鉀鈉無(wú)鉛壓電陶瓷薄膜制備方法，屬于電子功能陶瓷制備領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
壓電陶瓷具有將機(jī)械能與電能相互轉(zhuǎn)換的特性，除具有壓電性外，還具有穩(wěn)定和優(yōu)異的物理化學(xué)特性，已廣泛用于如拾音器、傳聲器、耳機(jī)、蜂鳴器、超聲波探深儀、聲納、材料的超聲波探傷儀等聲音轉(zhuǎn)換器、壓電引爆器、壓電打火機(jī)、防核護(hù)目鏡、超聲馬達(dá)等日常生活、エ業(yè)生產(chǎn)以及軍事領(lǐng)域。壓電鐵電陶瓷材料與器件在國(guó)際電子材料和元器件行業(yè)中一直占有極其重要的位置，隨著現(xiàn)代電子信息技術(shù)的飛速發(fā)展，對(duì)于壓電陶瓷材料的開(kāi)發(fā) 和探索已成為各國(guó)研究的熱點(diǎn)。迄今為止，絕大多數(shù)的壓電、熱釋電及鐵電材料仍是含鉛的以Pb (ZivxTix) O3為代表的鉛基壓電鐵電陶瓷(如鋯鈦酸鉛、鋯鈦酸鉛鑭、鈮鎂鋯鈦酸鉛等)，其中PbO (或Pb3O4)的含量占原料總量的70%，在生產(chǎn)、使用及廢棄后處理過(guò)程會(huì)給人類(lèi)和生態(tài)環(huán)境造成嚴(yán)重?fù)p害。近年來(lái)，隨著人們生態(tài)環(huán)保意識(shí)的提高和國(guó)際社會(huì)可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的實(shí)施，研究和開(kāi)發(fā)無(wú)鉛壓電鐵電陶瓷勢(shì)在必行，目前，無(wú)鉛壓電陶瓷的研究主要集中在鈦酸鉍拿基和堿金屬鈮酸鹽系無(wú)鉛壓電陶瓷上，其中鈮酸鉀鈉Naa5Ka5NbO3被認(rèn)為是ー種良好的無(wú)鉛壓電陶瓷材料，它有較高的壓電性和鐵電性，被視作替代PZT基壓電陶瓷的主要選擇對(duì)象之一。隨著現(xiàn)在電子器件的小型化發(fā)展以及微電子機(jī)械(MEMS)對(duì)新型電子器件的需求，極大的促進(jìn)和實(shí)現(xiàn)電子器件概念上的突破，推動(dòng)材料研究從塊體材料研究轉(zhuǎn)向薄膜材料研究。只要能達(dá)到性能指標(biāo)，可以以薄膜替代單晶或多晶材料，而且薄膜易于滿足微型器件對(duì)幾何尺寸的要求，且成本也會(huì)低于塊體材料，所以各種薄膜材料發(fā)展十分迅速，同時(shí)，也涌現(xiàn)出了一些壓電薄膜的制備方法，主要有濺射法、溶膠-凝膠法、金屬有機(jī)物熱分解法、脈沖激光沉積法等。目前壓電陶瓷薄膜的基體一般是Si片，因?yàn)椴ＡУ囊状嘈?，比硅片更不能耐高溫，目前為止還未看到在玻璃表面制備壓電陶瓷薄膜的報(bào)道。本發(fā)明目的在于在玻璃基體上直接制備鈮酸鉀鈉壓電陶瓷薄膜。同時(shí)傳統(tǒng)的方法制備需要較復(fù)雜的エ序和較難獲得的高真空的制備條件，并且傳統(tǒng)方法制備薄膜時(shí)的尺寸形狀等參數(shù)不能控制。本發(fā)明能方便快捷精確的在玻璃基體上制備壓電陶瓷薄膜。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于利用激光在玻璃基體表面制備鈮酸鉀鈉(Naa5Ka5NbO3 ；KNN)壓電陶瓷薄膜。除了選取玻璃基體為，克服現(xiàn)有制備エ藝中エ序繁瑣、制備時(shí)間長(zhǎng)、制備條件苛刻、薄膜形狀尺寸等可控性差的限制，提供了ー種方便快捷精確地制備壓電陶瓷薄膜的方法。
本發(fā)明目的通過(guò)如下措施來(lái)達(dá)到的，其具體エ藝流程包括I)按Naa 5K0.5Nb03中Na、K、Nb為O. 5 :0. 5 :1的摩爾化學(xué)計(jì)量比稱取原料，把原料與無(wú)水こ醇倒入球磨罐中球磨，將所得的漿料烘干得到的混合粉體過(guò)篩后再壓制成塊體；2)將步驟I)所得的塊體按傳統(tǒng)熔鹽法在800°C下預(yù)燒兩小時(shí)，所得的鈮酸鉀鈉塊體原料經(jīng)過(guò)再次球磨、烘干、過(guò)篩得到鈮酸鉀鈉粉體，將鈮酸鉀鈉粉體加入PVA后均勻平鋪在玻璃基體表面；3)在激光器控制軟件中繪制所需制備的薄膜形狀，選取激光以掃描頻率80KHz、脈寬10ns、調(diào)至焦點(diǎn)位置后直接掃描玻璃基體上的粉體，室溫冷卻后得到所需功能陶瓷薄膜。 步驟I)中，所述的原料可以是Na2CO3、K2COpNb2O5或者NaNO3、KNO3、Nb2O5。原料與同無(wú)水こ醇的體積比優(yōu)選為1:1。步驟2)中PVA的加入量?jī)?yōu)選使PVA的質(zhì)量含量為6%。步驟3)所述的激光器，可以是光纖激光器、Nd:YAG固體激光器、ニ氧化碳激光器，所使用的激光為連續(xù)激光或脈沖激光，激光器的功率和掃描速度至少達(dá)到玻璃基體上粉體的燒結(jié)功率，例如20W光纖激光、掃描速度以約300mm/s ;50W ニ氧化碳激光器，約120mm/s的掃描速度。所述的玻璃基體可以是普通透明玻璃、K9玻璃、石英玻璃、超白玻璃等。所述的形狀可以是各種尺寸的點(diǎn)、線、面等単一或組合的幾何圖形。與現(xiàn)有技術(shù)相比①本發(fā)明在玻璃基體上制備了鈮酸鉀鈉壓電陶瓷薄膜?？朔吮仍诠杵砻娓y加工的玻璃表面上直接燒結(jié)制備了壓電陶瓷薄膜。②同傳統(tǒng)的鍍膜エ藝方法相比制備的操作簡(jiǎn)單、不需要真空環(huán)境、制備時(shí)間短、薄膜厚度形狀尺寸可控性高，可重復(fù)性高。


圖I為該發(fā)明的加工裝置示意圖；圖中1計(jì)算機(jī)、2控制線、3激光器、4激光束、5反射鏡、6聚焦鏡、7壓電陶瓷粉層、8玻璃基體；圖2為按本發(fā)明制備的玻璃基體上鈮酸鉀鈉薄膜的XRD圖譜；圖3為按本發(fā)明制備的玻璃基體上鈮酸鉀鈉薄膜的掃描電鏡形貌圖。
具體實(shí)施例方式首先有必要在此指出的是本實(shí)施例只用于對(duì)本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)ー步說(shuō)明，不能理解為對(duì)本發(fā)明保護(hù)范圍的限制。按照?qǐng)DI所示的加工裝置示意圖，將計(jì)算機(jī)I通過(guò)控制線2與激光器3連接，激光器發(fā)出的激光束4依次通過(guò)反射鏡5、聚焦鏡6，直接掃描到位于玻璃基體8上鈮酸鉀鈉薄膜粉體7，從而得到所需的功能薄膜。實(shí)例I按Naa5Ka5NbO3 中 Na、K、Nb 為 O. 5 :0. 5 :1 的摩爾化學(xué)計(jì)量比稱取 Na2CO3' K2CO3>Nb2O5原料，按I :1體積比同無(wú)水こ醇倒入球磨罐中球磨8小吋。將所得的漿料烘干得到的混合粉體過(guò)篩后在壓制成塊體。將所得的混合物在800°C下預(yù)燒兩小時(shí)，所得的鈮酸鉀鈉塊體原料經(jīng)過(guò)再次球磨、烘干、過(guò)篩得到鈮酸鉀鈉粉體。將鈮酸鉀鈉粉體加入6%質(zhì)量比的PVA混合后均勻平鋪在普通透明玻璃基體表面。在激光器控制軟件中繪制5_*5_的矩形圖形。選取20W光纖脈沖激光器，以約300mm/s的速度、掃描頻率80KHz、脈寬10ns、調(diào)整好焦點(diǎn)位置直接掃描玻璃基體上的粉體。室溫冷卻后得到所需功能陶瓷薄膜。實(shí)例2按Natl 5Ktl 5NbO3 中 Na、K、Nb 為 O. 5 :0. 5 :1 的摩爾化學(xué)計(jì)量比稱取 NaN03、KN03、Nb205原料，按I :1體積比同無(wú)水こ醇倒入球磨罐中球磨8小吋。將所得的漿料烘干得到的混合粉體過(guò)篩后在壓制成塊體。將所得的混合物在800°C下預(yù)燒兩小時(shí)，所得的鈮酸鉀鈉塊體原料經(jīng)過(guò)再次球磨、烘干、過(guò)篩得到鈮酸鉀鈉粉體。將鈮酸鉀鈉粉體加入6%質(zhì)量比的PVA混合后均勻平鋪在K9玻璃基體表面。在激光器控制軟件中繪制Φ 5mm的圓形圖形。選取20W光纖脈沖激光器，以約300mm/s的速度、調(diào)整好焦點(diǎn)位置直接掃描玻璃基體上的粉體。室溫冷卻后得到所需功能陶瓷薄膜。實(shí)例3按Naa5Ka5NbO3 中 Na、K、Nb 為 O. 5 :0. 5 :1 的摩爾化學(xué)計(jì)量比稱取 Na2CO3' K2CO3>Nb2O5原料，按I :1體積比同無(wú)水こ醇倒入球磨罐中球磨8小吋。將所得的漿料烘干得到的混合粉體過(guò)篩后在壓制成塊體。將所得的混合物在800°C下預(yù)燒兩小時(shí)，所得的鈮酸鉀鈉塊體原料經(jīng)過(guò)再次球磨、烘干、過(guò)篩得到鈮酸鉀鈉粉體。將鈮酸鉀鈉粉體加入6%質(zhì)量比的PVA混合后均勻平鋪在石英玻璃基體表面。在激光器控制軟件中繪制10*2mm的線型圖形。選取50W ニ氧化碳激光器，以約120mm/s的速度、掃描頻率80KHz、脈寬10ns、調(diào)整好焦點(diǎn)位置直接掃描玻璃基體上的粉體。室溫冷卻后得到所需功能陶瓷薄膜。圖2為按本發(fā)明實(shí)施例制備的玻璃基體上鈮酸鉀鈉薄膜的XRD圖譜；橫坐標(biāo)為衍射角度；縱坐標(biāo)為衍射峰強(qiáng)度；從圖中可以看出，本發(fā)明制備的鈮酸鉀鈉薄膜為典型的鈣鈦礦結(jié)構(gòu),未含其他雜相成分。圖3為按本發(fā)明實(shí)施例制備的玻璃基體上鈮酸鉀鈉薄膜的掃描電鏡形貌圖。從圖中可見(jiàn)，薄膜表面致密，薄膜的晶粒大小均勻。權(quán)利要求
1.一種利用激光在玻璃基體表面制備鈮酸鉀鈉功能陶瓷薄膜的方法，其特征在于，包括以下步驟 1)按Naa5Ka5NbO3中Na、K、Nb為O.5 :0. 5 :1的摩爾化學(xué)計(jì)量比稱取原料，把原料與無(wú)水乙醇倒入球磨罐中球磨，將所得的漿料烘干得到的混合粉體過(guò)篩后再壓制成塊體； 2)將步驟I)所得的塊體按傳統(tǒng)熔鹽法在800°C下預(yù)燒兩小時(shí)，所得的鈮酸鉀鈉塊體原料經(jīng)過(guò)再次球磨、烘干、過(guò)篩得到鈮酸鉀鈉粉體，將鈮酸鉀鈉粉體加入PVA后均勻平鋪在玻璃基體表面； 3)在激光器控制軟件中繪制所需制備的薄膜形狀，選取激光以掃描頻率80KHz、脈寬10ns、調(diào)至焦點(diǎn)位置后直接掃描玻璃基體上的粉體，室溫冷卻后得到所需功能陶瓷薄膜。
2.按照權(quán)利要求I的方法，其特征在于，步驟I)中，所述的原料可以是Na2C03、K2CO3>Nb2O5 或者 NaNO3、KNO3、Nb2O5。
3.按照權(quán)利要求I的方法，其特征在于，步驟I)中，原料與同無(wú)水乙醇的體積比為I1:1。
4.按照權(quán)利要求I的方法，其特征在于，步驟2)中PVA的加入量?jī)?yōu)選使PVA的質(zhì)量含量為6%。
5.按照權(quán)利要求I的方法，其特征在于，步驟3)所述的激光器，是光纖激光器、Nd:YAG固體激光器或二氧化碳激光器。
6.按照權(quán)利要求I的方法，其特征在于，步驟3)所使用的激光為連續(xù)激光或脈沖激光，激光器的功率和掃描速度至少達(dá)到玻璃基體上粉體的燒結(jié)功率。
7.按照權(quán)利要求I的方法，其特征在于，所述的玻璃基體是普通透明玻璃、K9玻璃、石英玻璃或超白玻璃。
8.按照權(quán)利要求I的方法，其特征在于，所述的形狀是各種尺寸的點(diǎn)、線、面中的一種或幾種。
全文摘要
一種利用激光在玻璃基體表面制備鈮酸鉀鈉功能陶瓷薄膜的方法，屬于電子功能陶瓷制備領(lǐng)域。選取原料，按Na0.5K0.5NbO3化學(xué)計(jì)量比稱取、混合、球磨，采用傳統(tǒng)的熔鹽法在800℃下預(yù)燒兩小時(shí)制備所需功能陶瓷粉末；然后把陶瓷粉末與PVA混合均勻平鋪在玻璃基體表面，利用所選取激光器的控制軟件繪制所需制備的功能陶瓷薄膜的形狀和尺寸，選取脈沖激光以合適的工藝參數(shù)直接燒結(jié)玻璃基體上的粉體得到所需陶瓷薄膜。本發(fā)明首先提出并在玻璃基體上直接制備出鈮酸鉀鈉壓電陶瓷薄膜，并且操作簡(jiǎn)單、快捷、可控性強(qiáng)。
文檔編號(hào)C04B35/495GK102701740SQ20121013747
公開(kāi)日2012年10月3日 申請(qǐng)日期2012年5月4日 優(yōu)先權(quán)日2012年5月4日
發(fā)明者何超, 劉富榮, 周偉平, 趙建軍, 陳繼民 申請(qǐng)人:北京工業(yè)大學(xué)