[发明专利]一种钡钙锆钛无铅压电织构厚膜及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于无铅压电材料领域，具体涉及一种无铅压电织构厚膜及无铅压电织构厚膜织构化的方法。

背景技术

压电材料在现在的电子科学与技术中应用广泛，包括航天技术中的关键技术，医学及工业制动器，换能器，传感器等。目前广泛应用的是铅基的钙钛矿型的锆钛酸铅(PZT)基压电材料，众所周知，在制备、使用及废弃后处理过程中铅基材料会对人类和环境造成严重的危害，因此研究开发环境友好型的无铅压电材料是一项紧迫而有重要现实意义的任务。

目前报道的无铅压电体系主要有四种：BaTiO₃基无铅压电材料、(Bi_0.5Na_0.5)TiO₃基无铅压电材料、铌酸盐系无铅压电材料和铋层状结构无铅压电材料。铋层结构及钛酸铋钠基压电材料尽管居里温度高，大多都在600℃以上，但是其压电性能较差，钛酸铋钠陶瓷的d₃₃仅有60pC/N，而钛酸铋陶瓷只有20pC/N。铌酸钾钠材料致密度低，难以烧结。钛酸钡材料研究较成熟，容易烧结，并且其压电性能比较的优越。最近，Ren et al发现(Ba_0.85Ca_0.15)(Zr_0.1Ti_0.9)O₃陶瓷体系(非织构化的厚膜体系)表现出惊人的压电性能，其压电系数可以达到620pC/N，此性能已经可以和铅基材料相媲美。随后，Liwei等人通过离子掺杂来提高性能，获得了比较优越的性能。但是目前的无铅压电材料主要是通过掺杂和复合来改善材料的性能。最近几年许多学者通过控制材料的结构来改变性能，其中最多的就是压电材料的织构化。无铅压电材料的织构化程度可以通过Lotgering’s factor(F.K.Lotgering.Topotactical Reactions with Ferrimagnetic Oxides having Hexagonal Crystal Structures-I.Journal of Inorganic and Nuclear Chemistry，9(2)(1959)，113-123)进行表征。厚膜兼有块体和薄膜材料的许多优点。一方面，其厚度相比较块体来说大大减小，从而降低了在电路中的驱动电压，可使其工作在低电压高频率，为在集成电路中使用提供了条件；另一方面，拥有可与块体材料相媲美的电气性能和抗疲劳性能。因此，厚膜材料和厚膜器件一直受到材料科学工作者的关注。目前，研究较多的PZT和BST等厚膜材料已经大量应用于各种压电、铁电、热释电器件、微波器件以及射频微电子机械系统等。此外相比于陶瓷来说，厚膜更有利于器件的小型化。然而压电材料的织构化的研究主要集中在块体材料上，厚膜主要是集中在PZT基材料上，无铅压电厚膜的研究较少，而对于(Ba，Ca)(Zr，Ti)O₃织构无铅压电厚膜则没有见到报道。

发明内容

本发明的目的在于提供一种钡钙锆钛无铅压电织构厚膜及无铅压电织构厚膜织构化的方法。本发明的无铅压电织构厚膜织构化的方法，简单可行，可制备出一种高取向生长的无铅压电织构厚膜。

本发明的钡钙锆钛无铅压电织构厚膜，其化学成份符合化学通式：(Ba_xCa_y)(Zr_zTi_m)O₃，其中，0.79≤x≤0.865，0.135≤y≤021，0.06≤z≤0.11，0.89≤m≤0.94。上述化学通式中元素右下角的数字或字母代表各对应元素的摩尔比。

本发明的钡钙锆钛无铅压电(Ba_xCa_y)(Zr_zTi_m)O₃织构厚膜的制备方法，主要包括以下步骤：

1)制备基料：制备(Ba_xCa_y)(Zr_zTi_m)O₃(BCZT)的粉体基料(Ba_aCa_b)(Zr_cTi_d)O₃，其中，0.748≤a≤0.8425，0.1575≤b≤0.252，0.072≤c≤0.132，0.87≤d≤0.928。

2)制备模板：采用BaTiO₃(BT)片状粉体为模板。