專利名稱:<br>致密-多孔-致密夾心復(fù)合壓電陶瓷及其工藝的制作方法
本發(fā)明屬于復(fù)合壓電陶瓷材料及制備工藝。
壓電陶瓷如鈦酸鋇、鋯鈦酸鉛等材料早已廣泛應(yīng)用于超聲、水聲換能器中。隨著科學(xué)技術(shù)的迅猛發(fā)展，原有單相壓電陶瓷材料已遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足需要，近年來(lái)發(fā)現(xiàn)壓電陶瓷和高分子聚合物兩相復(fù)合的壓電陶瓷材料具有某些獨(dú)特的性能，因而復(fù)合壓電陶瓷材料的研究在近幾年來(lái)有很大發(fā)展。1979年美國(guó)T·R·Shrout等人發(fā)表于〔＜Mat·Res·Bull·＞14，1553(1979)〕用較為簡(jiǎn)單的陶瓷工藝制得了(3-3)模式的柔性壓電陶瓷復(fù)合材料，其壓電電壓系數(shù)g常數(shù)比原來(lái)的單相鋯鈦酸鉛壓電陶瓷大一個(gè)數(shù)量級(jí)。日本M·Miyashita等人發(fā)表于〔＜Ferroelectrics＞28 397(1980)〕用鋯鈦酸鉛陶瓷條排列成梯形格子結(jié)構(gòu)，并在空隙中注入高分子聚合物亦制得了(3-3)模式的，性能相似的復(fù)合壓電陶瓷材料。但由于多孔陶瓷表面無(wú)法直接涂敷銀膏，只能先在多孔體陶瓷的氣孔中充填高分子聚合物，然后在表面涂敷含銀的同種高分子聚合物作電極，這樣工藝復(fù)雜，難以實(shí)用。
本發(fā)明的目的在于提出了用特定的工藝制備了致密-多孔-致密夾心復(fù)合結(jié)構(gòu)的壓電陶瓷材料，從而克服了已有技術(shù)中充填高分子聚合物的復(fù)雜性和電極敷設(shè)問(wèn)題，從而達(dá)到實(shí)用化的程度。
本發(fā)明采用厚度約占樣品總厚度的10%至20%的致密壓電陶瓷“復(fù)蓋”在多孔體壓電陶瓷的兩平行表面，作涂敷銀膏燒滲銀電極用，由于致密壓電陶瓷與多孔壓電陶瓷取自同一種類的壓電陶瓷并壓制成整體，燒結(jié)后就成為整塊燒結(jié)體，這樣三層夾心式的復(fù)合壓電陶瓷把氣孔率相差很大卻連成整體的特定結(jié)構(gòu)，巧妙地解決了多孔陶瓷的銀電極涂敷問(wèn)題。樣品燒滲銀電極后，在居里溫度附近施加直流電壓進(jìn)行極化。
本發(fā)明材料制備的工藝關(guān)鍵首先是制得具有三層夾心結(jié)構(gòu)的坯體，然后制得三層夾心壓電陶瓷體。其壓制坯體的工序如下取一份軟性壓電陶瓷粉料用于干壓法制備成致密層待用瓷料(簡(jiǎn)稱甲料)，再取一份同一類型的軟性壓電陶瓷粉料，混入粒度為120目的球狀聚甲基丙烯酸甲酯粉料按重量百分比計(jì)為17%，也可以是23%或27%充分混合均勻后，同樣用干壓法制備成多孔中間層待用瓷料(簡(jiǎn)稱乙料)，坯體成型時(shí)，稱取等量的兩份甲料裝入鋼模的底層和頂層，稱取所需厚度的乙料裝入鋼模的中間層，然后用適當(dāng)壓力，一次壓制成三層一體的夾心式復(fù)合陶瓷坯體。操作中，必須保持每層瓷料厚度完全均厚。這種壓制三層夾心結(jié)構(gòu)的方法同樣適用于制備(3-1)模式的三層夾心復(fù)合陶瓷坯體，祇是在壓制時(shí)把已設(shè)計(jì)好形狀的聚甲基丙烯酸甲酯板作中間層，然后一次壓制而成。
瓷坯燒結(jié)前要確保三層結(jié)構(gòu)始終是一個(gè)整體結(jié)構(gòu)，重要的是試樣疊埋在裝有墊料的氧化鋁坩堝中，以每小時(shí)40℃的升溫速度升溫，直至600℃進(jìn)行排塑。然后再蓋上氧化鋁坩堝密封蓋板，直接于硅碳棒電爐中燒結(jié)，這樣不經(jīng)重新裝爐燒結(jié)出滿意的夾心燒結(jié)體。本發(fā)明所用的燒結(jié)制度由所選用的軟性壓電陶瓷粉料而定。燒結(jié)好的三層夾心復(fù)合陶瓷，由于主表面是致密陶瓷，因此能按普通壓電陶瓷進(jìn)行平面機(jī)械加工，加工好的樣品經(jīng)清洗后在主表面上涂上銀膏、燒滲銀電極，然后進(jìn)行極化。
本發(fā)明材料極化條件與所選用軟性壓電陶瓷材料極化條件相同，即在空氣中采用居里溫度附近施加約為每毫米幾十伏的直流電壓進(jìn)行極化，然后隨著溫度的急速下降逐漸提高施加直流電壓，直至溫度下降到室溫時(shí)直流電壓上升到每毫米300伏，全過(guò)程歷時(shí)約半小時(shí)，這種極化方法亦適用于一般軟性壓電陶瓷。
本發(fā)明料材的特點(diǎn)是密度低，電容率小，壓電電壓系數(shù)比普通壓電陶瓷大一個(gè)數(shù)量級(jí)。本發(fā)明的一個(gè)具體實(shí)例是用組份為〔Pb(Li1/4Sb3/4)0.05Zr0.49Ti0.46O3〕軟性壓電陶瓷粉料制備三層夾心復(fù)合壓電陶瓷材料，當(dāng)多孔陶瓷體的聚甲基丙烯酸甲酯的引入量按重量百分比計(jì)為17%，23%或27%時(shí)，它的密度(P)在(3.7～2.8)克/厘米3，相對(duì)介電常數(shù)(εT33/ε0)430～250，靜態(tài)壓電電壓系數(shù)gh(70～110)×10-3伏·米/牛頓。
本發(fā)明材料的特點(diǎn)還在于簡(jiǎn)化了多孔陶瓷涂敷電極的工藝，從而使得(3-3)模式復(fù)合壓電陶瓷材料的實(shí)用化成為可能。此外，三層夾心復(fù)合壓電陶瓷的多孔中間層不需要充填高分子聚合物就可以直接使用，這比目前國(guó)外的現(xiàn)有工藝簡(jiǎn)便。我們已用本發(fā)明材料制成高靈敏度寬頻帶水聽器，其特性大大優(yōu)于同類型普通壓電陶瓷制作的水聽器。
權(quán)利要求
1.一種以致密壓電陶瓷和多孔壓電陶瓷所構(gòu)成的復(fù)合壓電陶瓷材料，其特征在于它含有以致密層-多孔層-致密層相間所組成的三層夾心式復(fù)合壓電陶瓷。
2.按照權(quán)利要求
1所說(shuō)的陶瓷材料，其特征在于所說(shuō)的兩個(gè)致密層厚度分別為總厚度的10%至20%。
3.按照權(quán)利要求
1所說(shuō)的陶瓷材料，其特征在于所說(shuō)的多孔層是在普通軟性壓電陶瓷瓷料中混入粒度為120目的球狀聚甲基丙烯酸甲酯粉，引入量按重要百分比計(jì)為17%，也可以是23%或27%。
4.一種專用于制造權(quán)利要求
1所說(shuō)的夾心式復(fù)合陶瓷材料的工藝，其特征在于包含有形成夾心式多孔坯體，排塑燒結(jié)，燒滲銀電極和在空氣中高溫極化四個(gè)步驟。
5.按照權(quán)利要求
4所說(shuō)的工藝，其特征在于所說(shuō)的形成坯體，是指取兩份等量的致密層待用瓷料分別裝入鋼模的頂層和底層，再取多孔中間層待用瓷料裝入鋼模的中間層，采取一次性模壓成型。
專利摘要
用夾心式結(jié)構(gòu)，在通常的壓電陶瓷工藝下制備致密-多孔一致密夾心復(fù)合壓電陶瓷材料，使它具有小的密度，低的介電常數(shù)，而又有比普通壓電陶瓷大得多的壓電電壓系數(shù)g常數(shù)。用此材料制作的水聽器頻帶寬，靈敏度高。此夾心結(jié)構(gòu)既適宜制備(3-3)模式結(jié)構(gòu)，亦適宜制備(3-1)模式結(jié)構(gòu)的復(fù)合壓電陶瓷材料。
文檔編號(hào)C04B35/03GK85100703SQ85100703
公開日1986年9月24日 申請(qǐng)日期1985年4月1日
發(fā)明者莊璆, 徐其昌, 何遠(yuǎn)光 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院聲學(xué)研究所導(dǎo)出引文BiBTeX, EndNote, RefMan