[发明专利]一种通过3D打印制备具有周期性孔结构的PZT铁电陶瓷的方法

说明书

本发明涉及一种通过3D打印制备具有周期性孔结构的PZT铁电陶瓷的方法，包括：（1）将PZT粉体和粘结剂分散于溶剂中，得到PZT浆料；（2）利用绘图软件设计得到具有周期性孔分布结构的陶瓷坯体模型；（3）按照所述陶瓷坯体模型，通过打印针头将PZT浆料挤出成纤维状后，进行逐层打印和干燥，形成具有周期性孔结构的陶瓷坯体；（4）将所得陶瓷坯体经排胶和烧结，得到所述具有周期性孔结构的PZT铁电陶瓷。

技术领域

本发明涉及一种通过3D打印制备具有周期性孔结构的PZT铁电陶瓷的方法，属于3D打印与功能陶瓷交叉领域。

背景技术

多孔陶瓷是以气孔为主要特征的一类重要的陶瓷材料，可用于制备各种过滤器、分离装置、流体分布元件、混合元件、节流元件等，也可以制成各种多孔电极、催化剂载体、热交换器、气体传感器等，在冶金、化工、石油、能源、环保、食品、医药、生物等行业具有诸多应用。

在功能陶瓷领域，气孔的引入也可以带来意想不到的有益效果。引入30％体积分数的开口气孔可以将湿度灵敏度提高一个数量级，而1.2％的孔隙率则可以使PTC电热调节器中的电阻率提高20倍。在PZT陶瓷方面，通过引入气孔可以大幅度降低多孔压电陶瓷的介电常数，提高静水压优值；气孔还可以改善压电陶瓷与水、空气等媒介的声阻抗匹配，促进多孔压电陶瓷在水听器领域的进一步应用。引入气孔已被证明是提高PZT95/5铁电陶瓷材料的“塑性”变形能力、延缓冲击损伤破坏的有效途径。

多孔陶瓷的物理性能取决于孔隙率、孔径及不同种类孔的混合。如气孔体积分数和孔径分布对电热调节器、湿度传感器和磁性媒介的性能有很大影响。多孔压电陶瓷材料的弹性模量取决于孔隙率，声速也与孔形状甚至孔径分布都有关系。最近研究发现，气孔的分布情况也是影响铁电陶瓷性能的一个重要因素。气孔的团聚或者不均匀分散会造成材料力学和电学性能的显著降低。因此，实现气孔的均匀分散十分重要。

目前，已经发展了多种先进技术实现多孔陶瓷气孔结构的制备。主要包括有机泡沫浸渍法、发泡法、添加造孔剂法、机械搅拌法、溶胶凝胶法以及等离子交换法等。但是，这些制备技术很难实现气孔分布的周期性调控。最近，以3D打印(Three-DimensionalPrinting)为代表的增材制造技术为实现气孔结构的精确调控提供了一种可能。目前，3D技术在多孔活性生物陶瓷和复杂的结构陶瓷领域应用较为广泛，在电子陶瓷领域目前尚未有相关技术报道。

发明内容

针对目前多孔陶瓷制备技术难以实现PZT铁电陶瓷气孔周期性分布的技术难题，本发明提供一种通过3D打印制备具有周期性孔结构PZT铁电陶瓷的方法，可以实现PZT铁电陶瓷气孔结构周期性分布和孔隙率可控。

在本发明中，通过3D打印制备具有周期性孔结构的PZT铁电陶瓷的方法包括：

(1)将PZT粉体和粘结剂分散于溶剂中，得到PZT浆料；

(2)利用绘图软件设计得到具有周期性孔分布结构的陶瓷坯体模型；

(3)按照所述陶瓷坯体模型，通过打印针头将PZT浆料挤出成纤维状后，进行逐层打印和干燥，形成具有周期性孔结构的陶瓷坯体；

(4)将所得陶瓷坯体经排胶和烧结，得到所述具有周期性孔结构的PZT铁电陶瓷。

所述PZT粉体为由PbTiO₃与PbZrO₃形成的固溶体粉体，或经其他元素掺杂或者固溶改性的PZT体系(掺杂元素可为Nb、La、Sb、W、Sr等软性掺杂元素以及Fe、Ba、Mg、Co、Mn、Sc等硬性掺杂元素，掺杂量一般为≤5mol％)，粒径为10nm～20μm。应理解，本发明中主要公开的是PZT铁电陶瓷的3D打印方法，上述列举的PZT粉体仅是为了体现本发明可选用不同组成的PZT粉体，但这并不意味着本发明3D打印方法限制于上述组成的PZT体系，其他未列出的PZT体系粉体，同样适用于本发明。