一種鋯鈦酸鋇鈣無鉛梯度厚膜的製備方法

2023-05-20 17:28:31 1

一種鋯鈦酸鋇鈣無鉛梯度厚膜的製備方法
【專利摘要】本發明公開了一種鋯鈦酸鋇鈣無鉛梯度厚膜的製備方法，該鋯鈦酸鋇鈣的化學通式為：(1-x)Ba(Ti0.8Zr0.2)O3-x(Ba0.7Ca0.3)TiO3。應用溶膠凝膠法製備不同成分的鋯鈦酸鋇鈣溶膠，依次在Pt/Ti/SiO2襯底上通過旋塗法塗覆，製備BZT-xBCT梯度厚膜，經過熱處理後得到無鉛鋯鈦酸鋇鈣梯度厚膜。該方法簡單可靠，工藝重複性好，可操作性強。本發明製備的鋯鈦酸鋇鈣無鉛梯度厚膜無孔隙、無裂紋、均勻度一致，兼具薄膜與體材料的優點，可與半導體工藝兼容。
【專利說明】一種鋯鈦酸鋇鈣無鉛梯度厚膜的製備方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及無鉛梯度厚膜的製備方法，具體是一種鋯鈦酸鋇鈣無鉛梯度厚膜的製備方法。
【背景技術】
[0002]壓電材料是能夠進行力-電能量轉換的智能材料，廣泛應用於航空、信息、生物、傳感等領域。鋯鈦酸鋇鈣無鉛壓電材料以優越的壓電性能和環境友好性、生物兼容性而成為最有可能替代鋯鈦酸鉛(PZT)的壓電材料之一。大面積無孔隙、無裂紋、均勻度一致性的鋯鈦酸鋇鈣無鉛梯度厚膜同時具有薄膜與體材料的優點，工作電壓低，工作頻率寬，靈敏度高，響應速度快，尺寸小可微型化、集成化且無界面效應，能夠兼容半導體工藝。
[0003]目前通過溶膠凝膠法和旋塗法製備鋯鈦酸鋇鈣無鉛梯度厚膜的製備方法未有報導。
【發明內容】

[0004]本發明提供了一種鋯鈦酸鋇鈣無鉛梯度厚膜的製備方法，該方法簡單可靠，工藝重複性好，可操作性強。
[0005]本發明採用以下技術方案:一種鋯鈦酸鋇鈣無鉛梯度厚膜的製備方法，採用溶膠凝膠法和旋塗法製備，包括如下步驟:
步驟 1、以化學通式(1-X) Ba (Ti0.8Zr0.2) O3-X (Ba0.7Ca0.3) TiO3 為依據，其中 χ=0.6，按化學通式中的比例稱取乙酸鋇、一水乙酸鈣、鈦酸四丁酯、硝酸氧鋯，溶於冰醋酸、乙二醇甲醚和去離子水中，製得BZT-0.6BCT溶膠；
步驟 2、以化學通式(1-X)Ba(Tia8Zra2)O3-X(Baa7Caa3)TiO3 為依據，令 x=0.55,0.5,0.45，0.4，參照步驟 I 分別配置 BZT-0.55BCT 溶膠、ΒΖΤ-0.5BCT 溶膠、ΒΖΤ-0.45BCT 溶膠、BZT-0.4BCT 溶膠；
步驟3、將步驟I所述BZT-0.6BCT溶膠旋塗到Pt/Ti/Si02基底上，進行中間熱處理降溫後，在中間處理得到的膜上繼續旋塗步驟2所述BZT-xBCT溶膠，進行中間熱處理，降溫後重複塗膜直至最後一層旋塗；
步驟4、將步驟3所述旋塗至最後一層的溼膜進行最終熱處理，得到鋯鈦酸鋇鈣無鉛梯
度厚膜。
[0006]步驟3中所述中間熱處理工藝為先以10°C /min的速度升溫至150°C，保溫lOmin，再以2.50C /min的速度升溫至500°C，保溫30min，自然冷卻至室溫。
[0007]步驟3中所述旋塗順序依次為BZT-0.6BCT溶膠、BZT-0.55BCT溶膠、BZT-0.5BCT溶膠、BZT-0.45BCT 溶膠、BZT-0.4BCT 溶膠。
[0008]步驟4中所述最終熱處理工藝為先以10°C /min的速度升溫至150°C，保溫lOmin，再以2.5°C /min的速度升溫至500°C，保溫30min，最後以10-12°C /min的速度升溫至800°C，保溫 120min。【專利附圖】

【附圖說明】
[0009]圖1是製備得到的鋯鈦酸鋇鈣無鉛梯度厚膜材料的TEM的斷面形貌圖；
圖2是製備得到的鋯鈦酸鋇鈣無鉛梯度厚膜材料的EDX鋇的成分變化圖；
圖3是製備得到的鋯鈦酸鋇鈣無鉛梯度厚膜材料的EDX鈣的成分變化圖；
圖4是製備得到的鋯鈦酸鋇鈣無鉛梯度厚膜材料的EDX鈦的成分變化圖；
圖5是製備得到的鋯鈦酸鋇鈣無鉛梯度厚膜材料的EDX鋯的成分變化圖；
圖6是製備得到的鋯鈦酸鋇鈣無鉛梯度厚膜材料的電滯回線測試圖。
【具體實施方式】
[0010]下面結合實施例和附圖對本發明做更進一步的解釋。下列實施例僅用於說明本發明，但並不用來限定發明的實施範圍。
[0011 ]步驟 1、以化學通式(1-X) Ba (Ti0.8Zr0.2) 03_x (Ba0.7Ca0.3) TiO3 為依據，其中 χ=0.6，按化學通式中的比例稱取乙酸鋇、一水乙酸鈣、鈦酸四丁酯、硝酸氧鋯，溶於冰醋酸、乙二醇甲醚和去離子水中，製得BZT-0.6BCT溶膠；
步驟 2、以化學通式(1-X)Ba(Tia8Zra2)O3-X(Baa7Caa3)TiO3 為依據，令 x=0.55,0.5,0.45，0.4，參照步驟 I 分別配置 BZT-0.55BCT 溶膠、ΒΖΤ-0.5BCT 溶膠、ΒΖΤ-0.45BCT 溶膠、BZT-0.4BCT 溶膠；
步驟3、將步驟I所述BZT-0.6BCT前驅體液旋塗到Pt/Ti/Si02基底上，進行中間熱處理，先以10°C /min的速度升溫至150°C，保溫lOmin，再以2.5°C /min的速度升溫至500°C，保溫30min，自然冷卻至室溫，在得到的膜上繼續旋塗下一層BZT-xBCT溶膠，重複至最後一層旋塗，旋塗的順序依次為x=0.55，0.5,0.45，0.4 ；
步驟4、將步驟3所述旋塗至最後一層的溼膜進行最終熱處理，先以WV Mn的速度升溫至150°C，保溫lOmin，再以2.5°C /min的速度升溫至500°C，保溫30min，最後以10-12°C /min的速度升溫至800°C，保溫120min，自然冷卻至室溫，得到鋯鈦酸鋇鈣無鉛梯度厚膜。
[0012]實施例1
步驟 1、以化學通式(1-X)Ba(Ti0.8Zr0.2)O3-X(Baa7Ca0.3)TiO3 為依據，其中 χ=0.6，按化學通式中的比例稱取4.1887g乙酸鋇、0.6342g—水乙酸鈣，溶於9g冰醋酸和9g去離子水中攪拌均勻，配製成鋇鈣前驅體液；按化學通式中鈦鋯的比例稱取6.2619g鈦酸四丁酯、0.4276g硝酸氧鋯，溶於5.4g冰醋酸和18g乙二醇甲醚中，配製成鋯鈦前驅體液；將鋇鈣前驅體液和鋯鈦前驅體液攪拌均勻，製得BZT-0.6BCT溶膠；
步驟 2、以化學通式(1-X)Ba(Tia8Zra2)O3-X(Baa7Caa3)TiO3 為依據，令 x=0.55,0.5,
0.45，0.4，參照步驟 I 分別配置 BZT-0.55BCT 溶膠、ΒΖΤ-0.5BCT 溶膠、ΒΖΤ-0.45BCT 溶膠、BZT-0.4BCT 溶膠；
步驟3、將步驟I所述BZT-0.6BCT前驅體液旋塗到Pt/Ti/Si02基底上，進行中間熱處理，先以10°C /min的速度升溫至150°C,保溫IOmin,再以2.5°C /min的速度升溫至500°C，保溫30min，自然冷卻至室溫，在得到的膜上旋塗BZT-xBCT溶膠，進行中間熱處理，重複該過程至最後一層旋塗，旋塗的順序依次為BZT-0.55BCT溶膠、BZT-0.5BCT溶膠、BZT-0.45BCT 溶膠、ΒΖΤ-0.4BCT 溶膠；
步驟4、將步驟3所述旋塗至最後一層的溼膜進行最終熱處理，先以10°C /min的速度升溫至150°C，保溫lOmin，再以2.5°C /min的速度升溫至500°C，保溫30min，最後以10-12°C /min的速度升溫至800°C，保溫120min，自然冷卻至室溫，得到鋯鈦酸鋇鈣無鉛梯
度厚膜。
[0013]附圖1給出了本發明實施例1所得樣品的TEM斷面形貌圖，從圖中可看出在梯度厚膜中，各層層界面明顯，層厚均勻。梯度厚膜內越靠近基底越緻密晶粒越細密。
[0014]附圖2-5給出了本發明實施例1所得樣品的鋇、鈣、鈦、鋯的EDX成分變化圖，表徵了梯度模中不同元素的含量的縱向分布情況。從圖中可看出鋇和鋯元素從基底到表面百分含量逐漸增加，鈣和鈦元素從基底到表面百分含量逐漸減少，與鋯鈦酸鋇鈣梯度厚膜的理論設計值相符合。
[0015]附圖6給出了本發明實施例1所得樣品在不同電壓下的電滯回線測試圖，從圖中可看出實施例1所得樣品具備一定的鐵電性能。
[0016]在本說明書的描述中，參考術語「 一個實施例」、「 一些實施例」、「示例」、「具體示例」、或「一些示例」等的描述意指結合該實施例或示例描述的具體特徵、結構、材料或者特點包含於本發明的至少一個實施例或示例中。在本說明書中，對上述術語的示意性表述不一定指的是相同的實施例或示例。而且，描述的具體特徵、結構、材料或者特點可以在任何的一個或多個實施例或示例中以合適的方式結合。
[0017]儘管已經示出和描述了本發明的實施例，本領域的普通技術人員可以理解:在不脫離本發明的原理和宗旨的情況下可以對這些實施例進行多種變化、修改、替換和變型，本發明的範圍由權利要求及其等同物限定。
【權利要求】
1.一種鋯鈦酸鋇鈣無鉛梯度厚膜的製備方法，其特徵在於，使用旋塗法依次塗覆不同鈦鋯酸鋇和鈦酸鋇鈣比例的鋯鈦酸鋇鈣溶膠，製備梯度厚膜，具體包括如下步驟:
步驟 1、以化學通式(1-X) Ba (Ti0.8Zr0.2) O3-X (Ba0.7Ca0.3) TiO3 為依據，其中 χ=0.6，按化學通式中的比例稱取乙酸鋇、一水乙酸鈣、鈦酸四丁酯、硝酸氧鋯，溶於冰醋酸、乙二醇甲醚和去離子水中，製得ΒΖΤ-0.6BCT溶膠； 步驟 2、以化學通式(1-X)Ba(Tia8Zra2)O3-X(Baa7Caa3)TiO3 為依據，令 x=0.55,0.5,0.45，0.4，參照步驟1 分別配置 ΒΖΤ-0.55BCT 溶膠、ΒΖΤ-0.5BCT 溶膠、ΒΖΤ-0.45BCT 溶膠、ΒΖΤ-0.4BCT 溶膠； 步驟3、將步驟I所述ΒΖΤ-0.6BCT溶膠旋塗到Pt/Ti/Si02基底上，進行中間熱處理降溫後，在中間處理得到的膜上繼續旋塗步驟2所述BZT-xBCT溶膠，進行中間熱處理，降溫後重複塗膜直至最後一層旋塗； 步驟4、將步驟3所述旋塗至最後一層的溼膜進行最終熱處理，得到鋯鈦酸鋇鈣無鉛梯度厚膜。
2.根據權利要求1所述鋯鈦酸鋇鈣無鉛梯度厚膜的製備方法，其特徵在於，步驟3中所述中間熱處理工藝為:先以10°C /min的速度升溫至150°C，保溫lOmin，再以2.5°C /min的速度升溫至500°C，保溫30min，自然冷卻至室溫。
3.根據權利要求1所述鋯鈦酸鋇鈣無鉛梯度厚膜的製備方法，其特徵在於，步驟3中所述旋塗順序依次為ΒΖΤ-0.6BCT溶膠、ΒΖΤ-0.55BCT溶膠、ΒΖΤ-0.5BCT溶膠、ΒΖΤ-0.45BCT溶膠、BZT-0.4BCT溶膠。
4.根據權利要求1所述鋯鈦酸鋇鈣無鉛梯度厚膜的製備方法，其特徵在於，步驟4中所述最終熱處理工藝為先以10°C /min的速度升溫至150°C，保溫lOmin，再以2.5°C /min的速度升溫至500°C，保溫30min，最後以10_12°C /min的速度升溫至800°C，保溫120min。
【文檔編號】C04B35/624GK103979962SQ201410226234
【公開日】2014年8月13日 申請日期:2014年5月26日 優先權日:2014年5月26日
【發明者】王增梅, 王歡歡, 蔡中蘭, 徐茜蕾 申請人:東南大學