[其他]致密-多孔-致密夹心复合压电陶瓷及其工艺

说明书

本发明属于复合压电陶瓷材料及制备工艺。

压电陶瓷如钛酸钡、锆钛酸铅等材料早已广泛应用于超声、水声换能器中。随着科学技术的迅猛发展，原有单相压电陶瓷材料已远远不能满足需要，近年来发现压电陶瓷和高分子聚合物两相复合的压电陶瓷材料具有某些独特的性能，因而复合压电陶瓷材料的研究在近几年来有很大发展。1979年美国T.R.Shrout等人发表于〔（Mat.Res.Bull.）14，1553（1979）〕用较为简单的陶瓷工艺制得了（3-3）模式的柔性压电陶瓷复合材料，其压电电压系数g常数比原来的单相锆钛酸铅压电陶瓷大一个数量级。日本M.Miyashita等人发表于〔（Ferroelectrics）28397（1980）〕用锆钛酸铅压电陶瓷条排列成梯形格子结构，并在空隙中注入高分子聚合物亦制得了（3-3）模式的，性能相似的复合压电陶瓷材料。但由于多孔陶瓷表面无法直接涂敷银膏，只能先在多孔体陶瓷的气孔中充填高分子聚合物，然后在表面涂敷含银的同种高分子聚合物作电极，这样工艺复杂。

本发明的目的在于提出了特定的工艺制备了致密-多孔-致密夹心复合结构的压电陶瓷材料，从而克服了已有技术中充填高分子聚合物的复杂性和电极敷设问题。

本发明采用厚度约占样品总厚度的10%至20%的致密压电陶瓷“覆盖”在多孔体压电陶瓷的两平行表面，作涂敷银膏烧渗银电极用，由于致密压电陶瓷与多孔压电陶瓷取自同一种类的压电陶瓷并压制成整体，烧结后就成为整块烧结体，这样三层夹心式的复合压电陶瓷把气孔率相差很大却连成整体的特定结构，巧妙地解决了多孔陶瓷的银电极涂敷问题。样品烧渗银电极后，在居里温度附近施加直流电压进行极化。

本发明材料制备的工艺关键首先是制得具有三层夹心结构的坯体，然后制得三层夹心压电陶瓷体。其压制坯体的工序如下：取一份软性压电陶瓷粉料用于压法制备成致密层待用瓷料（简称甲料），再取一份同一类型的软性压电陶瓷粉料，混入粒度为120目的球状聚甲基丙烯酸甲酯粉料按重量百分比计为17%，也可以是23%或27%充分混合均匀后，同样用干压法制备成多孔中间层待用瓷料（简称乙料），坯体成型时，称取等量的两份甲科分别装入钢模的底层和顶层，称取所需厚度的乙料装入钢模的中间层，然后用适当压力，一次压制成三层一体的夹心式复合陶瓷坯体。操作中，必须保持每层瓷料厚度完全均厚。这种压制三层夹心结构的方法同样适用于制备（3-1）模式的三层夹心复合陶瓷坯体，祗是在压制时把已设计好形状的聚甲基丙烯酸甲酯板作中间层，然后一次压制而成。

瓷坯烧结前要确保三层结构始终是一个整体结构，重要的是试样叠埋在装有垫料的氧化铝坩埚中，以每小时40℃的升温速度升温，直至600℃进行排塑。然后再盖上氧化铝坩埚密封盖板，直接于硅碳棒电炉中烧结，这样不经重新装炉烧结出满意的夹心烧结体。本发明所用的烧结温度由所选用的软性压电陶瓷粉料而定，烧结好的三层夹心复合陶瓷，由于主表面是致密陶瓷，因此能按普通压电陶瓷进行平面机械加工，加工好的样品经清洗后在主表面上涂上银膏、烧渗银电极，然后进行极化。

本发明材料极化条件与所选用软性压电陶瓷材料极化条件相同，即在空气中采用居里温度附近施加约为每毫米几十伏的直流电压进行极化，然后随着温度的急速下降逐渐提高施加直流电压，直至温度下降到室温时直流电压上升到每毫米300伏，全过程历时约半小时，这种极化方法亦适用于一般软性压电陶瓷。

本发明材料的特点是密度低，电容率小，压电电压系数比普通压电陶瓷大一个数量级。本发明的一个具体实例是：用组份为

〔Pb（Li_1/4Sb_3/4）_0.05Zr_0.49Ti_0.46O₃〕

软性压电陶瓷粉料制备三层夹心复合压电陶瓷材料，当多孔陶瓷体的聚甲基丙烯酸甲酯的引入量按重量百分比计为17%，23%或27%时，它的密度（ρ）在（3.7～2.8）克/厘米₃，相对介电常数（ε^T₃₃/ε₀）为430～250，静态压电电压系数gh为（70～110）×10^-3伏·米/牛顿。