在電場下確定晶體取向的壓電陶瓷及其製造方法
2023-06-07 04:56:31
專利名稱：在電場下確定晶體取向的壓電陶瓷及其製造方法
技術領域：
本發明涉及壓電陶瓷，更具體地，涉及一種通過在電場下對非晶態材料進行結晶化控制來在結構上確定晶體取向的壓電陶瓷及其製造方法。
背景技術：
通常，考慮到物理方面，非晶態材料的特徵是不具有晶體表現出的長程序，儘管可能局部範圍上具有某種規則性結構，即短程序。具有各向同性的固體可以由在結構上無序的非晶製成，以提供由大範圍的組合導致的不同特性。另外，如果向該非晶施加能量，則通過初晶相變會實現結晶化。如果通過晶核生成和生長而結晶了大塊的非晶，則該材料變成具有不同軸向的晶粒的多晶材料。
在大塊陶瓷材料的大塊中，晶粒的晶軸分別取向不同的方向。為了將具有壓電特性的陶瓷用作壓電裝置，必須儘可能使樣品中的晶粒的極化方向取向任何一個方向。將應用儘可能高的直流電場的輪詢(polling)方法用於確定極化方向。根據樣品的物理特性，電場的大小是變化的；然而，要求電場的範圍是從幾KV/mm到幾十KV/mm。上述方法所應用的材料主要是鐵電材料。表示壓電特性的耦合係數(取決於極化方向的分布度)與電場的大小和晶粒的平均尺寸有關，但該耦合係數不對信號晶體值產生影響。
因此，如果在所述非晶態材料的結晶化期間將所述電場沿一個方向施加到所述材料上，則在電場的施加方向上影響離子、原子或分子的能量比施加在其它方向上的能量大，導致元素更加活躍。在容易發生極化並與電場一致的方向上晶體的生長比在其它軸的方向上更加活躍。
發明內容
因此，本發明的一個目的是解決現有技術中存在的這些問題，並提供一種利用物理現象來製造確定晶體取向的陶瓷的方法。
本發明的另一個目的是提供一種製造壓電陶瓷的方法，並提供由上述方法製造的壓電陶瓷，該壓電陶瓷在非晶態材料的結晶化過程中具有取向為一個方向的晶軸。
本發明的再一個目的是提供一種製造具有僅次於單晶陶瓷的壓電效應的陶瓷的方法，以及由上述方法製造的壓電陶瓷。
根據本發明，棒狀晶粒的軸取向為一個方向，從而與單晶陶瓷相比，該取向方向的壓電特性得到了改進。可以將該壓電材料應用於各種領域，諸如傳感器、濾波器、致動器、振蕩器、表面聲波器件等等。根據本發明，可以將利用非晶態材料來製造具有壓電特性的陶瓷的方法應用到非鐵電材料。
另外，本發明提供了一種通過在電場下使非晶態材料結晶來使棒狀晶粒取向為一個方向的新方法。具體地，與單晶陶瓷相比，本發明顯著改進了確定晶體取向的陶瓷的壓電特性。該方法可以應用到各種壓電器件以改進性能。
本發明的上述目的、其它特徵和優點將通過參照附圖描述優選實施例而變得更加明了，其中圖1示出了在電場下結晶的Li2B4O7陶瓷的X射線衍射圖案的曲線圖；圖2是表示根據本發明的厚度為1.33mm的Li2B4O7非晶陶瓷的橫截面的SEM圖片；圖3是表示根據本發明在3.8V/mm的電場下、在530℃的溫度時局部結晶的部分的SEM圖片；圖4是根據本發明的結晶部分的放大SEM圖片；圖5是根據本發明的結晶樣品的放大SEM圖片；
圖6是根據本發明在非晶態Li2B4O7的結晶化過程中，棒狀細晶粒的生長方向和晶粒的縱向的示意圖；圖7示出了根據本發明的棒狀晶粒相對於c軸分布的示意圖；圖8示出了根據本發明，當將厚度為0.46mm並且半徑為2.7mm的盤狀樣品取向為c軸方向並且在該c軸方向施加電場時，在諧振頻率下電介質部分的實部和虛部的變化曲線圖。
具體實施例方式
現在將具體描述本發明的實施例，其示例在附圖中示出。
根據該實施例，對非晶態材料施加低交變電場(優選地0.1V/mm至10V/mm)，同時使該非晶態材料結晶以在該電場下製造確定晶體取向的壓電陶瓷，從而獲得具有良好壓電效應的樣品。
如果本發明所提出的方法不是由鐵電材料而是由單晶材料製成的，則所述樣品表現出壓電特性。因此，在使用非鐵電材料的其它材料的情況下，由根據本發明的方法製造出的陶瓷樣品也表現出良好的壓電特性。
通過以1∶2的比例混合併熔化Li2O和B2O3，並將該混合物平淬火(flat-quenching)來預備Li2B4O7非晶樣品。通過濺射方法將用作電極的金澱積在厚度為1.3毫米和面積為5×10mm2的Li2B4O7非晶樣品的兩個寬面上。對該非晶樣品施加頻率為1至50Hz、範圍為幾V/mm至幾十V/mm(優選地，從0.1V/mm至10V/mm)的電場，並將其在450℃以上的電爐中結晶。這時，優選地，所施加的頻率是10Hz，所施加的電場是3.8V/mm，並且溫度是530℃。
圖1至8中示出了通過上述方法製造出的Li2B4O7的非晶壓電陶瓷的特性。
具體地，圖1示出了在電場下結晶的Li2B4O7壓電陶瓷的X射線衍射圖案。在測量該圖案時該樣品面垂直於入射的X射線。應該理解散射角為34.87°的峰值對應於(004)方向，並且該陶瓷中的晶粒相對於晶軸c被很好地定向。另外，應該理解散射角為55.30°的峰值對應於(116)方向，並且該陶瓷中的晶粒相對於任何一個方向未被定向，而是分布於某些角度。由於晶軸(004)和(116)所形成的角是13.26°，所以該樣品中的晶粒相對於c軸被很好地定向，c軸具有上述角度的分布。應該理解，因為所施加的電場方向垂直該樣品面，所以晶粒的c軸垂直於或取向於該樣品面。
圖2是表示厚度為1.33mm的Li2B4O7非晶陶瓷的橫截面的SEM圖片。形成在兩個表面上的薄的白色部分是為了施加電場而通過濺射工藝所澱積的金電極。
圖3是表示在3.8V/mm的電場、530℃的溫度下局部結晶化圖案的SEM圖片；應該理解該結晶化發生在兩個表面上方厚度為140μm的區域上。該圖片的尺寸是2,000μm×2,900μm。
圖4是結晶化部分的放大SEM圖片。應該理解，所有的棒狀晶粒都取向在一個方向。根據X射線衍射測試可以知道，該棒狀的縱向平行於c軸方向。該圖片的尺寸是8μm×11.7μm。
圖5是結晶化樣品的放大SEM圖片。應該理解，直徑為250nm至500nm的所有晶粒都取向為一個方向(c軸)。該圖片的尺寸是1.6μm×2.3μm。
圖6是在Li2B4O7的非晶陶瓷的結晶化過程中，棒狀細晶粒的生長方向和晶粒的縱向的示意圖。應該理解，施加交變電場的方向、棒狀晶粒的縱向和晶粒的c軸方向都是相互一致的。
圖7示出了棒狀晶粒相對於c軸的分布的示意圖。棒狀晶粒的大部分分布在相對於c軸成15°角的範圍內。
圖8示出了當厚度為0.46mm並且半徑為2.7mm的盤狀樣品取向為c軸方向並且在該c軸方向施加電場時，在諧振頻率下電介質部分的實部和虛部的變化曲線圖。
根據該實施例，Li2B4O7棒狀晶粒朝向ab面的生長非常受限。c軸方向的生長速度在530℃時為22μm/min，在大約30分鐘內完成了厚度為1.3mm的結晶化。
另外，當根據該實施例的樣品被製成厚度為0.46mm、半徑為2.7mm的盤狀，並且在c軸方向施加電場時，縱向耦合因數為kj＝0.13，橫向耦合因數為kt＝0.48，從而提供了可與單晶Li2B4O7相比擬的壓電效應。
儘管參照優選實施例描述和說明了本發明，但是對於本領域的普通技術人員來講，顯然可以在不脫離本發明的精神和範圍的情況下作出各種修改和變化。因此，本發明旨在覆蓋落入所附權利要求及其等同物範圍內的對本發明的修改和變化。
工業適用性從以上說明可明顯看出，本發明提供了一種製造具有可與單晶陶瓷相比的壓電效應的材料的新方法。該方法可以通過探詢來應用到單晶情況下具有壓電特性的非鐵電材料和具有壓電效應的鐵電陶瓷。另外，可以將通過上述方法產生的陶瓷的改進壓電特性應用於信息技術、器件技術、機械技術等等。
權利要求
1.一種通過使用鐵電材料或非鐵電材料來製造壓電陶瓷的方法，該方法包括如下步驟向所述鐵電材料或非鐵電材料施加電場，以形成確定晶體取向的壓電陶瓷。
2.根據權利要求1所述的方法，其中所述電場是交變電場。
3.根據權利要求1或2所述的方法，其中所施加的電場強度是0.1V/mm至10V/mm。
4.一種通過根據權利要求1至3中的任意一項所述的方法製造出的壓電陶瓷。
5.一種製造壓電陶瓷的方法，包括如下步驟以1∶2的比例混合併熔化Li2O和B2O3；對所述混合物進行平淬火，以形成非晶態的Li2B4O7；通過濺射工藝在非晶Li2B4O7的兩個表面上澱積金，所述金被用作電極；對所述非晶態的Li2B4O7施加頻率為1至50Hz、範圍為0.1V/mm至10V/mm的電場；並且在450℃以上的電爐中對所述非晶態的Li2B4O7進行加熱，以使所述非晶態的Li2B4O7結晶。
6.一種通過根據權利要求5的方法製造出的非晶態Li2B4O7的壓電陶瓷。
全文摘要
公開了一種通過在電場下對非晶態材料進行結晶化控制來在結構上確定晶體取向的壓電陶瓷及其製造方法。對該非晶態材料施加電場以產生確定晶體取向的壓電陶瓷。該材料是以1∶2的比例包括有Li
文檔編號H02N2/00GK1703786SQ02829902
公開日2005年11月30日 申請日期2002年11月16日 優先權日2002年11月16日
發明者梁龍錫, 金秀宰, 金鐘洙 申請人:技星金屬株式會社, 梁龍錫, 金秀宰