專利名稱：激光制備鈦酸鋇壓電陶瓷的材料及方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種激光制備鈦酸鋇(BaTi03)壓電陶瓷的材料及方法，屬于電 子功能陶瓷的制備技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
由于純鈦酸鋇BaTi03陶瓷居里點(diǎn)Tc不高(Tc<120°C)，在室溫附近由正交 相轉(zhuǎn)變?yōu)樗姆较鄷r(shí)，其介電性、壓電性以及彈性性能都會(huì)發(fā)生很大的變化。因此BaTi03陶瓷 隨溫度變化的特性不利于它在更寬溫度范圍的使用。目前鈦酸鋇壓電陶瓷的制備方法主要有 固相燒結(jié)法和液相合成法，但這兩種制備方法都存在著各自的缺點(diǎn)固相燒結(jié)法產(chǎn)品難以達(dá) 到分子級(jí)混合，物料活性低，能量消耗大，容易引進(jìn)雜質(zhì)，其純度、均一性較差，燒結(jié)時(shí)間 長(zhǎng)，反應(yīng)難以控制，得到的陶瓷元器件成品率低，耐壓性能差，陶瓷晶粒較大，有氣孔等缺 陷；液相燒結(jié)法工藝流程長(zhǎng)，易引起環(huán)境污染，粉體易團(tuán)聚，原料價(jià)格昂貴，且需要較高的 溫度和較高的壓力，設(shè)備投資大等，也限制了此法的應(yīng)用。
近年來(lái)，開始有人將激光技術(shù)應(yīng)用于電子功能陶瓷的制備中，但目前國(guó)內(nèi)主要采用窄帶 激光制備鈦酸鋇電子功能陶瓷，其缺點(diǎn)是燒結(jié)寬度窄，只有l(wèi) 3mm，壓坯在激光燒結(jié)過(guò)程中 ，由于溫度梯度較大，極易開裂，致使壓坯難以燒結(jié)成行。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種激光制備鈦酸鋇壓電陶瓷的材料及方法，以克服純BaTi03 陶瓷壓電性能差的問(wèn)題及傳統(tǒng)的制備方法所存在的缺陷。
本發(fā)明是這樣構(gòu)成的 一種激光制備鈦酸鋇壓電陶瓷的材料，是由摩爾比為(l一x — y ):x : y : l的碳酸鋇BaC03、碳酸鈣CaC03、碳酸鉛PbC03和二氧化鈦Ti02組成的，其中x、 y 均表示摩爾質(zhì)量分?jǐn)?shù)，x = 3% 4%， x + y《6%。
所述碳酸鋇、碳酸鈣、碳酸鉛和二氧化鈦的純度均為99%以上。
用上述材料采用激光制備鈦酸鋇壓電陶瓷的方法為按摩爾比稱取碳酸鋇、碳酸鈣、碳 酸鉛和二氧化鈦，混合，烘干，用球磨機(jī)干磨3小時(shí)，然后加適量去離子水濕磨5小時(shí)，取出 烘干，加粘結(jié)劑塑化、造粒，在25MPa壓力下壓坯，保壓5min;生坯在8(TC溫度下干燥1小時(shí) ，再在35(TC溫度下干燥4小時(shí)，隨爐冷卻；取出樣品，用寬帶C02激光直接燒結(jié)，即制得鈦 酸鋇壓電陶瓷。
C02激光燒結(jié)過(guò)程中，寬帶激光密度為O. 35kW/cm2 0. 45kW/cm2，采用雙面燒結(jié)。 優(yōu)選的激光燒結(jié)工藝參數(shù)為寬帶激光輸出功率600W，掃描速度150mm/min，光斑面積14X2mm」，離焦量315mm。這些工藝參數(shù)是發(fā)明人在固定光斑面積(14X2mm」)和離焦量( 315mm)的前提下，改變寬帶激光輸出功率和掃描速度，通過(guò)正交實(shí)驗(yàn)優(yōu)化、篩選出來(lái)的最 佳工藝參數(shù)。在此工藝條件下燒結(jié)出的陶瓷產(chǎn)品性能最好。
其中所用的粘結(jié)劑為聚乙烯醇；所述聚乙烯醇的聚合度為1750。
本發(fā)明的化學(xué)原理為BaC03、 CaC03、 PbC03和Ti02按比例混合、球磨、塑化、造粒、壓 片、排膠，在寬帶C02激光的作用下發(fā)生化學(xué)反應(yīng)(1—x —y) BaC03+XCaC03+yPbC03—( Bai—x—y， Pby， Cax) Ti03+C02 t 由于BaCO;j、 CaC03、 PbCO;5禾口TiO2以(1—x —y) : x : y : 1 的摩爾比混合，可完全發(fā)生反應(yīng)，反應(yīng)后生成的C02氣體逸出，即得純度較高的鈦酸鋇壓電 陶瓷。
本發(fā)明的技術(shù)創(chuàng)新點(diǎn)主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面
1. 所用材料不同因?yàn)榻?jīng)申請(qǐng)人研究發(fā)現(xiàn)在鈦酸鋇陶瓷中加入CaC03可使第二相變點(diǎn) 溫度降低；力QPbC03可提高居里溫度，同時(shí)也可以降低第二相變點(diǎn)溫度。因此本發(fā)明在BaC03 中加入少量的CaC03和PbC03，成功的提高了居里溫度，并降低了第二相變點(diǎn)溫度，可制得壓 電性能好的鈦酸鋇壓電陶瓷，也擴(kuò)寬了純鈦酸鋇陶瓷的使用溫度范圍。
2. 坯材的制備工藝坯材的制備對(duì)激光燒結(jié)效果的影響較大，主要體現(xiàn)在(1)壓坯 壓力和保壓時(shí)間在適宜的壓力下可使混合粉體結(jié)合得更加緊密，壓力不夠時(shí)，坯體內(nèi)部就 會(huì)存在一些微小氣泡導(dǎo)致坯體易分層。當(dāng)激光照射有缺陷的坯體時(shí)，坯體便在短時(shí)間內(nèi)吸收 大量能量，氣泡急劇受熱造成坯體內(nèi)部發(fā)生爆炸，坯體凝固后會(huì)在樣品表面形成一些不規(guī)則
的突起。(2)排膠和干燥工藝當(dāng)溫度在35(TC時(shí)進(jìn)行排膠可使坯體內(nèi)的聚乙烯醇(PVA)
完全排出，如果低于此溫度排膠會(huì)不完全，導(dǎo)致坯體有氣泡，當(dāng)激光照射排膠不完全的坯體 時(shí)坯體內(nèi)部易發(fā)生爆炸，從而導(dǎo)致坯體表面不平、體開裂等現(xiàn)象。
3. 采用寬帶激光燒結(jié)在寬帶激光模式下，不僅增加了燒結(jié)帶寬度，且由于激光束斑快速
局部擺動(dòng)使熔池表面溫度的最高點(diǎn)快速變化，導(dǎo)致熔池中央?yún)^(qū)域溫度梯度下降，裂紋敏感性降 低，表觀質(zhì)量改善。同時(shí)，又可利用熔池邊緣的溫度梯度形成的表面張力場(chǎng)，起到攪拌熔體使 元素均勻分布的作用。因此采用寬帶激光燒結(jié)鈦酸鋇壓電陶瓷，可得到組織致密、燒結(jié)寬度
達(dá)15mm、表面平整的壓坯。
與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明克服了純BaTi03陶瓷壓電性能的缺陷，利用寬帶C02激光燒結(jié) 鈦酸鋇壓電陶瓷具有所用材料價(jià)格便宜，激光燒結(jié)法耗能少，燒結(jié)時(shí)間短的特點(diǎn)，所制備的 產(chǎn)品不僅提高了壓電陶瓷的居里溫度，第二相變點(diǎn)溫度可移至-5(TC或更低，擴(kuò)寬了純 BaTi03陶瓷的使用溫度范圍；并且具有晶體粒度細(xì)小、氣孔率極低、致密度高、可靠性高、安全、節(jié)電等優(yōu)點(diǎn)；主要應(yīng)用于制作壓電濾波器、點(diǎn)火器、變壓器、換能器、微位移計(jì)以及 聲馬達(dá)，是功能陶瓷中應(yīng)用最為廣闊的材料。
具體實(shí)施例方式
本發(fā)明的實(shí)施例l:所用材料BaC03、 CaC03、 PbC03和Ti02 (純度均為99%以上)。 稱取BaCO3、 CaC03、 PbCO;5禾口TiO2，按BaCO3 : CaC03 : PbC03 : Ti02=94% : 3% : 3% : l的摩 爾比混合，并進(jìn)行烘干。烘干后將混合粉末用球磨機(jī)干磨3小時(shí)，然后加適量的去離子水濕 磨5小時(shí)。取出烘干，加入聚合度為1750的聚乙烯醇作為粘結(jié)劑進(jìn)行塑化、造粒，在25MPa壓 力下壓坯，保壓5min。生坯在8(TC溫度下干燥1小時(shí)，再在35(TC溫度下干燥4小時(shí)，隨爐冷 卻。取出樣品，用寬帶C02激光進(jìn)行雙面燒結(jié)，燒結(jié)過(guò)程中，寬帶激光輸出功率為600W，掃 描速度為150mm/min，光斑面積為14X2mm2，離焦量為315mm;即制得鈦酸鋇壓電陶瓷。 本發(fā)明的實(shí)施例2:所用材料BaC03、 CaC03、 PbC03和Ti02 (純度均為99%以上)。 稱取BaCO3、 CaC03、 PbCO;5禾口TiO2，按BaCO3 : CaC03 : PbC03 : Ti02=94% : 4% : 2% : l的摩 爾比混合，并進(jìn)行烘干。烘干后將混合粉末用球磨機(jī)干磨3小時(shí)，然后加適量的去離子水濕 磨5小時(shí)。取出烘干，加入聚乙烯醇作為粘結(jié)劑進(jìn)行塑化、造粒，在25MPa壓力下壓坯，保壓 5min。生坯在8(TC溫度下干燥1小時(shí)，再在35(TC溫度下干燥4小時(shí)，隨爐冷卻。取出樣品， 用寬帶C02激光直接燒結(jié)，燒結(jié)過(guò)程中，寬帶激光輸出功率為600W，掃描速度為150mm/min， 光斑面積為14X2mm2，離焦量為315mm;即制得鈦酸鋇壓電陶瓷。
本發(fā)明的實(shí)施例3:稱取BaC03、 CaC03、 PbC03和Ti02，按BaCO:j : CaC03 : PbC03 : Ti02=95% : 3. 5% : 1. 5% : l的摩爾比混合，其余操作同實(shí)施例2，制得鈦酸鋇壓電陶瓷。
權(quán)利要求
1.一種激光制備鈦酸鋇壓電陶瓷的材料，其特征在于它是由摩爾比為(1-x-y)∶x∶y∶1的碳酸鋇、碳酸鈣、碳酸鉛和二氧化鈦組成的，其中x、y均表示摩爾質(zhì)量分?jǐn)?shù)，x＝3％～4％，x+y≤6％。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種激光制備鈦酸鋇壓電陶瓷的材料及方法，材料是由摩爾比為(1-x-y)∶x∶y∶1的碳酸鋇、碳酸鈣、碳酸鉛和二氧化鈦組成的，其中x、y均表示摩爾質(zhì)量分?jǐn)?shù)，x＝3％～4％，x+y≤6％；將所用材料進(jìn)行混合、球磨、塑化、造粒、壓坯、排膠，再用寬帶CO₂激光進(jìn)行燒結(jié)，即制得鈦酸鋇壓電陶瓷。本發(fā)明利用寬帶CO₂激光燒結(jié)鈦酸鋇壓電陶瓷具有所用材料價(jià)格便宜，激光燒結(jié)法耗能少，燒結(jié)時(shí)間短的特點(diǎn)，所制備的產(chǎn)品不僅提高了陶瓷的居里溫度，第二相變點(diǎn)溫度可移至-50℃或更低，擴(kuò)寬了純鈦酸鋇陶瓷的使用溫度范圍；并且具有晶體粒度細(xì)小、氣孔率極低、致密度高、可靠性高、安全、節(jié)電等優(yōu)點(diǎn)，是功能陶瓷中應(yīng)用最為廣闊的材料。
文檔編號(hào)H01L41/187GK101302101SQ20081030243
公開日2008年11月12日 申請(qǐng)日期2008年6月30日 優(yōu)先權(quán)日2008年6月30日
發(fā)明者劉其斌, 劉金鑫, 微 曲, 溫明旺 申請(qǐng)人:貴州大學(xué)