氧化鋁基板上pnn-pzn-pzt多層并聯(lián)壓電厚膜的制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于一種以成分為特征的陶瓷組合物，特別涉及一種在A1203基板上制備 PNN-PZN-PZT(鈮鋅-鈮鎳-鋯鈦酸鉛）多層并聯(lián)壓電厚膜的方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 低溫共燒陶瓷（LowTemperatureCo-firedCeramic，簡稱LTCC)是集互聯(lián)、無源 元件和封裝與一體的多層陶瓷制造技術(shù)，它采用厚膜材料，根據(jù)預(yù)先設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)，將電極材 料、基板、電子器件等在900°C以下共燒，從而制成模塊化集成器件或三維陶瓷基多層電路。 近年來隨著對(duì)大功率壓電材料與器件的要求的不斷提高，壓電陶瓷器件向體積小、驅(qū)動(dòng)電 壓低、位移量大、能集成化的方向發(fā)展，低溫共燒多層壓電陶瓷的研究成為熱點(diǎn)。
[0003] 傳統(tǒng)的PZT陶瓷器件往往用粘結(jié)劑將壓電陶瓷片粘結(jié)成多層壓電陶瓷，由于受單 片陶瓷厚度的限制，無法實(shí)現(xiàn)小型化、集成化，多層元器件中的粘結(jié)劑與陶瓷片結(jié)合不緊 密，易分離造成性能惡化，甚至出現(xiàn)斷裂，無法長期使用。然而，低溫共燒陶瓷層間通過與內(nèi) 電極直接結(jié)合而不再需粘結(jié)劑粘合，結(jié)合緊密性大大提高，陶瓷層間的分層現(xiàn)象得到有效 地克服，大大地提高了器件的使用壽命，器件的蠕變性能也得到很大的改善。此外，低溫?zé)?結(jié)可以有效地避免PbO的揮發(fā)以及貴金屬電極的使用，降低能耗、減輕環(huán)境污染、使產(chǎn)品成 本降低。綜上所述，低溫共燒多層壓電陶瓷具有體積小、集成性高、工作電壓低、響應(yīng)時(shí)間 短、位移量大的優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于疊層升降壓變壓器和疊層壓電陶瓷微位移器等器件的 制備。
[0004] 多層并聯(lián)壓電厚膜的常用制備方法之一為絲網(wǎng)印刷法，它與其他方法（流延法、 水熱法、溶膠凝膠法）相比，具有與MEMS技術(shù)完全兼容，厚度可以控制且厚度適宜，設(shè)備簡 單、原料便宜、成本較低，所得壓電厚膜致密度高，適合于大批量生產(chǎn)，可重復(fù)性好的優(yōu)點(diǎn)。 但是由于絲網(wǎng)印刷法制備的厚膜致密性較差，氣孔率較高，單層厚膜的性能較低，制約了其 應(yīng)用性。多層并聯(lián)壓電厚膜性能呈層數(shù)倍線性增加，有效解決了單層厚膜性能較差的問題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明的目的，是克服現(xiàn)有技術(shù)的絲網(wǎng)印刷法制備的壓電厚膜致密性較差、氣 孔率較高、單層厚膜的性能較低、制約其應(yīng)用性的缺點(diǎn)，提供一種在A1203基板上制備 PNN-PZN-PZT多層并聯(lián)壓電厚膜的方法，以在較小厚度下獲得高壓電常數(shù)、高應(yīng)變、低驅(qū)動(dòng) 電壓的壓電材料；另外采用銀漿作為電極材料，有效降低生產(chǎn)成本。
[0006] 本發(fā)明通過如下技術(shù)方案予以實(shí)現(xiàn)：
[0007] -種氧化鋁基板上PNN-PZN-PZT多層并聯(lián)壓電厚膜的制備方法，具有如下步驟：
[0008] (1)配料
[0009] 將原料Pb304、Zr02、Ti02、Nb205、Ni203和ZnO按 0· 7Pb(Zr0.46Ti0.54) 03-0.lPb(Zn1/3Nb2/3) 03-0. 2Pb(Ni1/3Nb2/3) 03的化學(xué)計(jì)量比配料，球磨4h，再于烘箱中烘干，研 磨后過篩，備用；
[0010] ⑵合成
[0011] 將步驟⑴中配制的粉料放入坩堝中壓實(shí)，加蓋用鋯粉密封，于850°C合成，保溫 2h；
[0012] ⑶二次球磨
[0013] 將步驟（2)的合成原料放入球磨罐中，二次球磨4~10h，然后放入烘箱中烘干，烘 干后研磨備用；
[0014] (4)制備玻璃料
[0015] 將原料？13304、氏803、510 2、41203按照15:2:7 :1的重量比配料，放入球磨罐中，球磨 4h，再烘干，研磨，過篩，備用；
[0016] (5)制備壓電厚膜漿料
[0017] 稱取步驟⑶的二次球磨后的粉料，加入lwt. %的步驟⑷的玻璃料和10wt. % 的有機(jī)載體，混合研磨使?jié){料成粘稠狀并具有一定的流動(dòng)性，達(dá)到適合印刷的狀態(tài)；所述有 機(jī)載體為三乙醇胺、乙基纖維素和松油醇為1:4:45重量比的混合溶液；
[0018] (6)印刷厚膜和電極
[0019] 用蒸餾水將A1203基板超聲清洗后烘干，采用絲網(wǎng)印刷法在A1 203基板上依次印刷 電極、壓電厚膜層；重復(fù)印刷電極和壓電厚膜層，交替層疊直至完成3~11層并聯(lián)結(jié)構(gòu)，首 層及最末層皆為電極；每印刷一層壓電厚膜層或電極都要于120°C干燥lOmin，然后再繼續(xù) 印刷；
[0020] (7)排膠與燒結(jié)
[0021] 將步驟（6)印刷好的壓電厚膜樣品進(jìn)行燒制，升至800~900°C，保溫60~90min， 隨爐冷卻，制得PNN-PZN-PZT多層并聯(lián)壓電厚膜樣品；
[0022] ⑶極化
[0023] 將步驟（7)的壓電厚膜樣品置于140°C的硅油中，以6kV/mm的直流電壓極化10~ 15min，保持電場強(qiáng)度，停止加熱，使其自然冷卻到室溫；
[0024] (9)性能測試
[0025] 將步驟（8)經(jīng)極化后的壓電厚膜樣品于室溫下靜置24h，測定壓電及介電性能。
[0026] 所述步驟（1)的原料卩13304、2抑2、110 2、他205、附203和2110，均為市售的純度彡99% 的化學(xué)純?cè)稀?br>[0027] 所述步驟（1)或步驟（3)或步驟（3)的球磨介質(zhì)為去離子水和氧化鋯球，球：料： 水的重量比為2:1:0. 5 ;球磨機(jī)的轉(zhuǎn)速為750r/min。
[0028] 所述步驟（7)的燒結(jié)制度為：從室溫1. 5°C/min升至200°C，保溫30min;再以 1. 5°C/min升至 250°C，保溫 40min;再以 1. 5°C/min升至 400°C，保溫 60min;再以 3°C/min 升至800~900°C，保溫60~90min;隨爐冷卻。
[0029] 本發(fā)明的有益效果如下
[0030] 1.生產(chǎn)成本低，采用絲網(wǎng)印刷技術(shù)和Ag電極，燒結(jié)溫度僅為900°C，遠(yuǎn)低于傳統(tǒng)壓 電陶瓷的燒結(jié)溫度，有利于大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)。
[0031] 2.在A1203基板上獲得了平整且高性能的多層并聯(lián)壓電厚膜材料。五層樣品的性 能為：d33= 1021pC/N，ε33τ/ε。= 1167，tanδ= 1. 92%，Pr= 56. 44μC/cm2。十一層樣 品性能為：d33=1835pC/N，ε33T/e〇=l〇〇3，tanS=2.6%，Pr= 86.776yC/cm2，S33 = 0.66%。且理論上，并聯(lián)層數(shù)越多，壓電性能越好。
[0032] 3.與壓電塊體材料相比，多層并聯(lián)壓電厚膜大大降低了驅(qū)動(dòng)電壓，在較低電壓下 可以獲得較大的驅(qū)動(dòng)力和位移。
【附圖說明】
[0033] 圖1為本發(fā)明實(shí)施例1的五層并聯(lián)壓電厚膜結(jié)構(gòu)示意圖；
[0034] 圖2為本發(fā)明實(shí)施例1的表面SEM分析圖；
[0035] 圖3為本發(fā)明實(shí)施例2的斷面SEM和EDX分析圖；
[0036] 圖4為本發(fā)明實(shí)施例2的電壓一應(yīng)變和電壓一位移曲線圖。
【具體實(shí)施方式】
[0037] 本發(fā)明所用原料Pb304、Zr02、Ti02、Nb205、Ni203和ZnO,均為市售的純度彡99%的 化學(xué)純?cè)?，采用傳統(tǒng)固相燒結(jié)方法，具體實(shí)施例如下：
[0038] 實(shí)施例1
[0039] (1)配料
[0040] 將原料Pb304、Zr02、Ti02、Nb205、Ni203和ZnO按 0· 7Pb(Zr0.46Ti0.54) 03-0.lPb(Zn1/3Nb2/3) 03-0. 2Pb(Ni1/3Nb2/3) 03的化學(xué)計(jì)量比配料，放入球磨罐中，球磨介質(zhì)為 去離子水和氧化鋯球，球：料：水的重量比為2:1: