一種鈦酸鋇基陶瓷換能器的制備方法
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種利用無鉛壓電陶瓷(Ba0.95，Ca0.05)(Ti0.9，Sn0.1)O3+2％molCuO制備懸臂梁式換能器的方法。本發(fā)明的鈦酸鋇基壓電材料，具有環(huán)境無污染、燒結溫度低、壓電常數(shù)高和機械品質因數(shù)大的特點與優(yōu)勢。利用本發(fā)明的無鉛陶瓷制備懸臂梁式壓電換能器的操作簡單，且換能器在低頻下具有較高的功率密度。
【專利說明】
一種鈦酸鋇基陶瓷換能器的制備方法
技術領域
[0001]本發(fā)明涉及無鉛壓電陶瓷的制備方法，具體是一種低溫燒結(BaQ.95CaQ.05)(T0.9oSn0.1o)03-2%mol CuO陶瓷，然后利用陶瓷制備懸臂梁式換能器的方法。
【背景技術】
[0002]壓電陶瓷換能器是能夠進行力-電能量轉換的器件，廣泛應用于生物、軍事、光電信息和可再生能源領域。通過加入助燒劑，利用固相反應法制備無鉛壓電陶瓷的方法具有反應溫度低，過程易于控制，適合大批量制備的優(yōu)點，且鈦基板上制備的壓電陶瓷換能器可將機械能有效地轉化為電能。
[0003]國內專利號CN201410707662.2介紹了一種利用PZT-8壓電陶瓷片制備的超聲換能器，其選用全振動模式，阻抗小，可實現(xiàn)低電驅動，具有性能優(yōu)良，工作穩(wěn)定性高的優(yōu)點。
[0004]國內專利號CN201310232520.0公開了一種用于混凝土材料檢測的超聲相控陣換能器的制造方法，每個陣元包括四層PZT片和基體材料，金屬電極垂直排列于陣元的側面。此發(fā)明靈敏度高，頻帶寬，可應用于混凝土材料損傷檢測。
[0005]國內專利號CN101546965公開了一種基于MEMS的平面振動雙螺旋壓電換能器，其設有外殼、PZT壓電薄膜、質量塊、電極和接線端，主要應用于環(huán)境中的低頻振動能量收集。
[0006]D.Z.Xue等人研究相共存對材料性能的影響。研究發(fā)現(xiàn)，對于(I _x) BaTi O3-XBaSnO3陶瓷，在乂 = 0.11，溫度為40°(:時的四相共存區(qū)具有優(yōu)異的壓電性能((133?697?(:/^，^?75000)ο(Y.G.Yao,C.Zhou，D.C.Lv，D.Wang,H.J.Wu, Y.D.Yang and X.B.Ren，“Largepiezoelectric effect in BaTi03~x BaSn〇3 system:The role of phase coexisting，，，Europhys.Lett.，99[12]1229013pp.(2011).)
[0007]L.F.Zhu等人研究BaTi03-x(0.4CaTi03-0.6BaSn03)體系中X的變化對陶瓷壓電性能的影響。研究表明，在X = 0.16和0.20時都會出現(xiàn)多相共存，d33最高可達570pC/N。(L.F.Zhu,B.P.Zhang,L.Zhao and J.F.Li,uHigh piezoelectricity of BaTi03-CaTi03-BaSn03lead-free ceramics，”J.Mater.Chem.C.，2[24]4764-4771(2014).)
[0008]目前研究最多的是以鋯鈦酸鉛(PZT)為代表的含鉛壓電陶瓷材料，并利用其制備換能器。但是鉛在給人類健康帶來極大危害的同時，也會對周圍環(huán)境造成重金屬污染，這嚴重限制了它的應用。BaT13基壓電陶瓷經(jīng)摻雜改性后具有了優(yōu)異的性能，并以其環(huán)境友好性而成為最有可能替代鋯鈦酸鉛(PZT)的壓電材料之一，但現(xiàn)在卻鮮有發(fā)明將此性能優(yōu)良的無鉛壓電材料應用在能量收集方面。本發(fā)明首先低溫燒結高性能(Ba0.95Ca0.05)(T1.soSn0.KOOsl^molCuO無鉛壓電陶瓷，然后利用其在鈦基板上制備懸臂梁式換能器的方法尚未有報道。

【發(fā)明內容】

[0009 ] 技術問題:本發(fā)明提供了一種(Ba，Ca)(T i，Sn) O3-2 % mo I CuO陶瓷換能器的制備方法，該方法簡單可靠，工藝重復性好，可操作性強。
[0010]技術方案:一種(Ba，Ca)(Ti，Sn)03-2%mol CuO陶瓷換能器的制備方法，采用固相反應法制備無鉛壓電陶瓷，然后制備陶瓷換能器，包括如下步驟:
[0011]步驟1、以化學通式(BatL95Ca0.Q5) (T(L9QSmL1Q)O3I % mo I CuO為依據(jù)，按化學通式中的比例依次稱取藥品，放入球磨罐中以酒精為媒介，利用ZrO2介磨球在行星式球磨機上球磨1h。將混合后粉料烘干預燒后摻入2 %mo ICuO粉末，利用行星式球磨機再次球磨6h。將干燥后的粉料壓制成直徑13mm、厚度Imm左右的薄圓片。最后在1350°C的空氣氛圍下燒結3h制得無鉛壓電陶瓷；
[0012]步驟2、將步驟I所述無鉛(Ba，Ca)(Ti，Sn)03-2%mol CuO陶瓷磨至所需厚度，拋光鍍銀。燒銀后放入油浴鍋中，室溫下在3kV/mm的直流電場下極化30min;
[0013]步驟3、將步驟2所述極化后陶瓷邊緣銀漿打磨掉，并用鑷子夾脫脂棉蘸取丙酮溶液反復多次將一定大小的壓電陶瓷和鈦基底清洗干凈并晾干。
[0014]步驟4、將步驟3得到的兩片同樣大小的壓電陶瓷以并聯(lián)方式通過導電膠固定于鈦基底上，在陶瓷上下表面引出銅導線作為電極，同時在鈦基底上引出銅導線作為另一電極即得到(Ba，Ca)(Ti，Sn)03-2%mol CuO陶瓷換能器。
[0015]有益效果:本發(fā)明將性能優(yōu)異的無鉛壓電陶瓷應用于能量收集，具有良好的環(huán)境兼容性。制備工藝簡單且性能優(yōu)異，由(Ba，Ca)(Ti，Sn)03-2%mol CuO陶瓷制備的懸臂梁式換能器的的功率密度可達2.82mW/cm3，這可與大部分的含鉛壓電材料媲美，具有良好的研究前景。
【具體實施方式】
[0016]下面結合實施例對本發(fā)明做更進一步的解釋。下列實施例僅用于說明本發(fā)明，但并不用來限定發(fā)明的實施范圍。
[0017]步驟1、以化學通式(BatL95Ca0.Q5) (Το.Μηο.κΟΟΗ % mo I CuO為依據(jù)，按化學通式中的比例依次稱取藥品，放入球磨罐中以酒精為媒介，利用ZrO2介磨球在行星式球磨機上球磨1h。將混合后粉料烘干預燒后摻入2 %mo ICuO粉末，利用行星式球磨機再次球磨6h。將干燥后的粉料壓制成直徑13mm、厚度Imm左右的薄圓片。最后在1350°C的空氣氛圍下燒結3h制得無鉛壓電陶瓷；
[0018]步驟2、將步驟I所述無鉛(Ba，Ca)(Ti，Sn)03-2%mol CuO陶瓷磨至所需厚度，拋光鍍銀。燒銀后放入油浴鍋中，室溫下在3kV/mm的直流電場下極化30min;
[0019]步驟3、將步驟2所述極化后陶瓷邊緣銀漿打磨掉，并用鑷子夾脫脂棉蘸取丙酮溶液反復多次將一定大小的壓電陶瓷和鈦基底清洗干凈并晾干。
[0020]步驟4、將步驟3得到的壓電陶瓷以并聯(lián)方式通過導電膠固定于鈦基底上，在陶瓷上下表面引出銅導線作為電極，同時在鈦基底上引出銅導線作為另一電極即得到(Ba，Ca)(Ti,Sn)03-2%mol CuO陶瓷換能器。
[0021]實施例1
[0022]步驟1、以化學通式(BatL95Ca0.Q5) (Το.Μηο.κΟΟΗ % mo I CuO為依據(jù)，按化學通式中的比例依次稱取藥品，放入球磨罐中以酒精為媒介，利用ZrO2介磨球在行星式球磨機上球磨1h。將混合后粉料烘干預燒后摻入2 %mo ICuO粉末，利用行星式球磨機再次球磨6h。將干燥后的粉料壓制成直徑13mm、厚度Imm左右的薄圓片。最后在1350°C的空氣氛圍下燒結3h制得無鉛壓電陶瓷；
[0023]步驟2、將步驟I所述無鉛(Ba，Ca) (Ti , Sn)03-2%mol CuO陶瓷磨至所需厚度，拋光鍍銀。燒銀后放入油浴鍋中，室溫下在3kV/mm的直流電場下極化30min;
[0024]步驟3、將步驟2所述極化后陶瓷邊緣銀漿打磨掉，并用鑷子夾脫脂棉蘸取丙酮溶液反復多次將一定大小的壓電陶瓷和鈦基底清洗干凈并晾干。
[0025]步驟4、將步驟3得到的壓電陶瓷以并聯(lián)方式通過導電膠固定于鈦基底上，在陶瓷上下表面引出銅導線作為電極，同時在鈦基底上引出銅導線作為另一電極即得到(Ba，Ca)(Ti,Sn)03-2%mol CuO陶瓷換能器。
【主權項】
1.一種無鉛壓電陶瓷換能器的制備方法，其特征在于，利用固相反應法加入助燒劑CuO低溫燒結高性能無鉛壓電陶瓷，然后制備懸臂梁式換能器，具體包括以下步驟: 步驟1、以化學通式(BatL95Ca0.Q5) (T1.goSn0.KOOsj^mol CuO為依據(jù)，按化學通式中的比例依次稱取各物質，放入球磨罐中以酒精為媒介，利用ZrO2介磨球在行星式球磨機上球磨8-10h;將混合后粉料烘干預燒后摻入l%-3%molCu0粉末，利用行星式球磨機再次球磨6-8h;將干燥后的粉料壓制成直徑13mm、厚度0.8-1.2mm的薄圓片;最后在1250 °C -1400 °C的空氣氛圍下燒結3h制得無鉛壓電陶瓷； 步驟2、將步驟I所述無鉛(Ba，Ca)(Ti，Sn)03-2%mol CuO壓電陶瓷磨至所需厚度，拋光鍍銀，燒銀后放入油浴鍋中，室溫下在場強為3-4kV/mm的直流電場下極化20-30min; 步驟3、將步驟2所述極化后壓電陶瓷邊緣銀漿打磨掉，并用鑷子夾脫脂棉蘸取丙酮溶液反復多次將壓電陶瓷和鈦基底清洗干凈并晾干； 步驟4、將步驟3得到的同樣大小的兩片壓電陶瓷固定于鈦基底上，在壓電陶瓷上下表面引出銅導線作為電極，同時在鈦基底上引出銅導線作為另一電極即得到(Ba，Ca)(Ti，Sn)03-2% mo I CuO無鉛壓電陶瓷換能器。2.根據(jù)權利要求1所述的一種無鉛壓電陶瓷換能器的制備方法，其特征在于預燒后粉料加入CuO粉末，混合均勻后成型燒結。3.根據(jù)權利要求1所述的一種無鉛壓電陶瓷換能器的制備方法，其特征在于，所述步驟2中燒銀的過程為5 °C /min到680 °C，保溫20min后空冷至室溫。4.根據(jù)權利要求1所述的一種無鉛壓電陶瓷換能器的制備方法，其特征在于，所述步驟3中陶瓷片直徑為I Imm，厚度依次為0.4mm;鈦基板厚度為0.5mm，寬度為15mm，長度為50mm。5.根據(jù)權利要求1所述的一種無鉛壓電陶瓷換能器的制備方法，其特征在于，所述步驟4中陶瓷片的連接方式為并聯(lián)，并通過導電碳膠固定于鈦基底上。
【文檔編號】C04B35/468GK105845819SQ201610183961
【公開日】2016年8月10日
【申請日】2016年3月28日
【發(fā)明人】王增梅, 孫艷華
【申請人】東南大學