一步无压烧结合成亚微米晶尺度压电陶瓷材料的制备方法与流程

本发明属于压电陶瓷材料制备技术领域，具体涉及一种新的通过一步无压烧结合成具有亚微米晶尺度的细晶压电陶瓷材料的制备方法。

背景技术：

随着电子元器件小型化、叠层化的发展趋势，需要其核心压电陶瓷材料降低晶粒尺寸，即制备细晶压电陶瓷(晶粒尺寸在亚微米尺度及以下的陶瓷)，以便实现器件的轻薄化。但是，前人的研究工作发现，压电陶瓷通常是采用完全结晶的粉体作为前驱粉体，在其无压烧结过程中，致密化的同时往往伴随着晶粒尺寸的快速长大(大于微米级)，不利于获得致密的细晶压电陶瓷。目前，制备细晶压电陶瓷最常用的方法是热压烧结或放电等离子烧结，在这些方法中，引入压力或电场可以有效地降低烧结温度和减少烧结时间，从而有助于获得高密度的细晶陶瓷。然而，由于此类方法工艺复杂、设备昂贵，阻碍了细晶压电陶瓷的低成本生产。

综上所述，为了满足通过低成本的无压烧结工艺制备细晶压电陶瓷的要求，在本专利中，以bs–pt为目标体系，采用高能球磨法制备部分非晶化纳米级前驱粉体(特指由结晶相与非晶相组成的粉体)，并进行致密化无压烧结工艺调控，通过一步无压烧结实现陶瓷在致密化的同时保持亚微米晶尺度。设计这一关键工艺对于推进低成本无压烧结合成细晶压电陶瓷的制备具有重大的意义。

技术实现要素：

本发明的目的在于为克服已有制备细晶陶瓷技术的不足之处，提供一种新的低成本的合成细晶压电陶瓷材料的制备方法，即通过一步无压烧结部分非晶化纳米级前驱粉体，实现陶瓷在致密化的同时保持亚微米晶尺度。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案。

本发明提供一种通过一步无压烧结合成细晶压电陶瓷材料的制备方法，其特征在于，选择高能球磨法制备的部分非晶化纳米尺度的粉体作为前驱粉体，并进行致密化无压烧结工艺调控，实现一步无压烧结合成具有致密结构的细晶压电陶瓷材料。陶瓷的基体化学组成为：0.36bisco3–0.64pbtio3。进一步优选晶粒尺寸主要为170nm，相对密度为95％。在满足陶瓷致密化的同时，晶粒尺寸在亚微米级。具体包括以下步骤：

(1)将pb3o4、tio2、bi2o3和sc2o3按化学摩尔计量比称量，将称量好的原料放入球磨罐中，以无水乙醇为介质置于行星球磨机中球磨12h，然后100℃条件下烘干；

(2)将干燥后的粉体采用直径为3mm的碳化钨磨球，球料比20:1，转速800rpm,转速比(自转速度/公转速度)-2，进行高能球磨120min；

(3)不需要添加粘结剂，将粉体直接在800mpa的压力下成型，然后在900℃烧结，保温120min，即得到目标陶瓷材料。

烧结后的陶瓷片，经过抛光处理之后进行微结构观测，然后被上银电极，在120℃的硅油中，于35kv·cm^-1的直流高压下极化30min。然后对样品进行电性能的测试。

其中，得到的0.36bisco3–0.64pbtio3陶瓷，其晶粒尺寸为170nm,相对密度为95％。性能可达到：压电应变常数d33＝220pc/n,压电电压常数g33＝40×10^-3vm/n，可以实现一步无压烧结细晶压电陶瓷材料的制备。

与现有技术相比较，本发明具有以下优点：

本发明提出的方法可用于构建实现致密化的同时保持亚微米晶尺度的细晶压电陶瓷。现有常规技术制备细晶陶瓷的方法是热压烧结或放电等离子烧结，由于此类方法工艺复杂，设备昂贵，阻碍了细晶陶瓷的低成本生产。本发明技术上通过高能球磨法免煅烧制备得到部分非晶化纳米级前驱粉体，结合一步无压烧结技术工艺优化，从而实现了陶瓷致密化(相对密度为95％)的同时，晶粒尺寸维持在亚微米级(基本为100-200nm，主要为170nm)。研究发现，低温致密化机理主要来源于两点：一方面，非晶相形成的低温液相有助于加速物质的输运；另一方面，在bisco3和pbtio3晶界上沉积有纳米颗粒，能够起到填充气孔的作用，从而提高陶瓷的致密性。设计这一关键工艺对于推进低成本无压烧结合成细晶压电陶瓷的制备具有重大的意义。

附图说明

图1(a)为混合粉末进行碳化钨磨球处理不同时间后的x射线衍射(xrd)图谱，(b)为碳化钨磨球处理120min后纳米粉末高倍数透射电镜(hrtem)图，内插图是选区电子衍射(saed)图。

图2为本发明成分在900℃下烧结2h的bs–pt陶瓷样品附图，(a)为陶瓷的断面扫描电镜(sem)照片及晶粒尺寸分布图，(b)为陶瓷的高倍数透射电镜图。

具体实施方式

以下将通过实施例对本发明进行详细描述，这些实施例只是出于示例性说明的目的，而非用于限定本发明。

本发明提供一种一步无压烧结合成亚微米晶尺度的细晶压电陶瓷材料的制备方法，其特征在于，该陶瓷材料通过一步无压烧结部分非晶化纳米级前驱粉体制备获得，具有致密结构的同时，保持亚微米尺度的晶粒尺寸，其化学组成通式为：0.36bisco3–0.64pbtio3。组成原料为：pb3o4、tio2、bi2o3和sc2o3。具体制备方法为，首先，将称量好的原料放入球磨罐中，以无水乙醇为介质置于行星球磨机中球磨12h。球磨后所得浆料在100℃下烘干，然后将干燥后的粉体采用直径为3mm的碳化钨磨球，球料比20:1，转速800rpm,转速比-2，高能球磨120min；将得到的粉体不需要添加粘结剂，直接在800mpa的压力下成型，然后在900℃烧结，保温2h，得到陶瓷材料。烧结后的陶瓷片，印刷并烧渗银电极，在120℃的硅油中，在35kv·cm^-1的电压下极化30min。然后对样品进行电性能的测试。

下面通过实施例进一步阐明本发明的实质性特点和显著优点。应该指出,本发明决非仅局限于所陈述的实施例。

实施例1：

按化学式0.36bisco3–0.64pbtio3。组成原料为：pb3o4、tio2、bi2o3和sc2o3，并在乙醇中球磨12h。混合物经烘干后，干燥后的粉体采用高能球磨120min，将高能球磨得到的粉体直接在800mpa下压制成型，并在900℃下烧结2h得到陶瓷。

混合粉末经过机械化学处理后的xrd及tem分析数据见图1(a)和(b)，结果表明高能球磨120min得到的粉体为部分非晶化纳米前驱粉体。我们推测这些非晶相在烧结过程中形成低温液相，从而有助于加速物质的输运，促进陶瓷的低温致密化。

本发明成分在900℃下烧结2h的bs–pt陶瓷的断面sem照片及晶粒尺寸分布数据见图2(a)，结果显示陶瓷为致密的微观结构，相对密度达95％，平均晶粒尺寸为170nm。此样品的高倍数透射电镜图见图2(b)，从图中可以看出，有许多纳米颗粒沉积在晶界区域，我们推测这些沉积在晶界上的纳米颗粒能够起到填充气孔的作用，从而提高陶瓷的致密性。

对比例1：

按化学式0.36bisco3–0.64pbtio3称量pb3o4、tio2、bi2o3和sc2o3，烧结温度为800℃。其它同实施例1。

对比例2：

按化学式0.36bisco3–0.64pbtio3称量pb3o4、tio2、bi2o3和sc2o3，烧结温度为850℃。其它同实施例1。

对比例3：

按化学式0.36bisco3–0.64pbtio3称量pb3o4、tio2、bi2o3和sc2o3，烧结温度为950℃。其它同实施例1。

对比例4：

按化学式0.36bisco3–0.64pbtio3称量pb3o4、tio2、bi2o3和sc2o3，烧结温度为1050℃。其它同实施例1。

对比例5：

按化学式0.36bisco3–0.64pbtio3称量pb3o4、tio2、bi2o3和sc2o3，烧结温度为1100℃。其它同实施例1。

表1上述实施例性能对比表