一種多孔壓電陶瓷及其製備方法
2023-06-12 03:38:56
專利名稱：一種多孔壓電陶瓷及其製備方法
技術領域：
本發明屬於多孔陶瓷領域，涉及一種以有機物作為造孔劑的孔隙率梯度變化的多孔壓電陶瓷製備方法，尤其包括應用於醫療成像系統和水下聲納探測器的壓電陶瓷器件。
背景技術：
壓電陶瓷應用的一個重要方面是醫療成像超聲換能器或水下聲納探測水聲換能器。當壓電材料受到外加脈衝電場作用時，由於逆壓電效應壓電材料就會隨之變形振蕩，並發出同一頻率的超聲波。同樣，當壓電材料接收到外部傳來的超聲波時，通過壓電效應被激勵並產生相應的電信號。壓電陶瓷例如鋯鈦酸鉛(PZT)的聲阻抗大於10MRayls(106kg/m2s)，比人體組織的聲阻抗(1～2MRayls)或水的聲阻抗(～1.5MRayls)高一個數量級。如此大的阻抗失配導致超聲波信號在壓電陶瓷與人體組織或水的界面處產生很大的能量損失，嚴重降低了換能器的成像解析度。壓電陶瓷與聚合物組成的1-3結構壓電複合材料具有較低的聲阻抗，可改善換能器的聲阻抗匹配，也是當前研究最為廣泛和實用化程度最高的一種壓電複合材料，然而該類複合材料的製作工藝複雜，生產成本較高。由於多孔壓電陶瓷的聲阻抗低於緻密壓電陶瓷，因此可通過引入孔隙來調控壓電陶瓷的聲阻抗。
發明內容
本發明的目的是提供一種孔隙率梯度變化的多孔壓電陶瓷及其製備方法，以改善壓電陶瓷與人體或水界面處的聲阻抗匹配。
本發明的技術方案如下一種多孔壓電陶瓷，其特徵在於所述的多孔壓電陶瓷由多層複合而成，在孔隙率3～40％的範圍內，層與層之間的孔隙率從高到低或從低到高呈梯度變化。
本發明的技術特徵還在於所述的多孔壓電陶瓷由3～5層組成，每層的厚度為0.2～0.5毫米。
上述技術方案的優化方案為所述的多孔壓電陶瓷的層數為4層；每層的孔隙率分別為3.4％、9.7％、21.7％和36.7％，各層厚度為0.5毫米。
本發明提供一種製備所述多孔壓電陶瓷的方法，其特徵在於該方法按如下步驟進行1)將壓電陶瓷和造孔劑按不同的體積比分別配製混合粉末，造孔劑佔混合粉末體積總量的0～50vol％；2)將不同比例的混合粉末在模具中按梯度變化的順序逐層鋪放；3)在80～120MP壓強下用壓片機對模具中的粉料進行壓模成型；4)壓模後的樣品放入乳膠包套並浸入油體，在180～250MP壓強下用冷等靜壓機對樣品進行等靜壓處理；5)將等靜壓處理後的樣品放入坩鍋內，將坩鍋放入加熱爐內，先在150～250℃溫度範圍內保溫一段時間，使樣品中的造孔劑完全揮發，然後在1150～1250℃溫度範圍內燒結1～2小時。
為了製備更加均勻的粉末，在上述方法的步驟1)中，配製混合粉末時，至少研磨半小時；並在混合粉末中加入數滴作為粘結劑的5wt％含量的聚乙烯醇水溶液。
本發明所述的壓電陶瓷採用鋯鈦酸鉛，所述的造孔劑採用硬脂酸、聚甲基丙烯酸甲脂或碳醯二胺。
為了減少鋯鈦酸鉛壓電陶瓷中鉛的揮發，在放入坩鍋內的樣品周圍放置PbZrO3粉末。
本發明與現有技術相比，具有以下優點及突出性效果沿厚度方向依次增加孔隙率使得多孔壓電陶瓷具有依次遞減的聲阻抗，聲阻抗的梯度變化避免了電學信號在壓電陶瓷/人體(水)界面處的大量損失，從而提高器件的成像解析度。如圖1所示，當孔隙率達到40％時，多孔PZT壓電陶瓷的聲阻抗約為8MRayls，比較接近於人體組織或水的相應值。引入孔隙調控壓電陶瓷的聲阻抗不僅在技術上是可行的，而且與壓電陶瓷/聚合物複合材料相比，該方法製備工藝簡單，造價低廉。本發明提出的孔隙率梯度分布多孔壓電陶瓷的製備技術有助於提高醫療成像系統和水下聲納探測器件的成像解析度。與1-3結構壓電複合材料相比，多孔壓電陶瓷的製備工藝相對簡單，生產成本較低，因而具有廣闊的應用前景。
圖1為多孔壓電陶瓷的聲阻抗隨孔隙率變化曲線。
圖2為本發明提供的孔隙率呈梯度變化的多孔壓電陶瓷的結構示意圖。
圖3為製備得到的孔隙率梯度分布多孔壓電陶瓷的顯微照片。
具體實施例方式
本發明提供的多孔壓電陶瓷是由多層複合而成，在孔隙率3～40％的範圍內，層與層之間的孔隙率從高到低或從低到高呈梯度變化。多孔壓電陶瓷一般由3～5層組成，每層的厚度為0.2～0.5毫米，總厚度一般為1～2毫米。圖2為本發明提供的孔隙率呈梯度變化的多孔壓電陶瓷具體實施例的結構示意圖。該多孔壓電陶瓷由4層複合而成，每層的孔隙率分別為3.4％、9.7％、21.7％和36.7％，各層厚度均為0.5毫米。
本發明提供一種孔隙率梯度變化的多孔壓電陶瓷的製備方法，按如下步驟進行1)將壓電陶瓷和造孔劑按不同的體積比分別配製混合粉末，造孔劑佔混合粉末體積總量的0～50vol％；為了製備更加均勻的粉末，在配製混合粉末時，至少研磨半小時；並在混合粉末中加入數滴5wt％含量的聚乙烯醇水溶液作為粘結劑以有利於後續的壓模成型；2)將不同比例的混合粉末在模具中按梯度變化的順序逐層鋪放；3)在80～120MP壓強下用壓片機對模具中的粉料進行壓模成型；
4)壓模後的樣品放入乳膠包套並浸入油體，在180～250MP壓強下用冷等靜壓機對樣品進行等靜壓處理；5)將等靜壓處理後的樣品放入坩鍋內，並在樣品周圍放置PbZrO3粉末以防止樣品中Pb的過量揮發；將坩鍋放入加熱爐內，先在150～250℃溫度範圍內保溫一段時間，使樣品中的造孔劑完全揮發，然後在1150～1250℃溫度範圍內燒結1～2小時。
在本發明中，以壓電陶瓷採用鋯鈦酸鉛，造孔劑採用聚甲基丙烯酸甲脂、碳醯二胺或硬脂酸為例，對本發明的製備方法做進一步的說明。為了比較不同造孔劑的成孔特性，分別選擇聚甲基丙烯酸甲脂、碳醯二胺或硬脂酸等3種造孔劑進行研究。先考察單一孔隙率的多孔壓電陶瓷的製備工藝及其聲阻抗性能，將壓電陶瓷和造孔劑按一定的體積比配製混合粉末，造孔劑佔混合粉末的體積總量在0～50vol％範圍內，在圓筒型模具中壓制混合粉末塊體，在150～250℃的溫度範圍內保溫使造孔劑揮發排出，在1150～1250℃的溫度下燒結1～2小時。研究表明當造孔劑含量超過50vol％時，造孔劑揮發排出後粉末塊體發生坍塌，無法燒結得到規則的多孔材料，因此本發明所添加的造孔劑含量均低於50vol％。研究表明聚甲基丙烯酸甲脂的造孔率略高於硬脂酸或碳醯二胺，加入硬脂酸得到不規則的孔隙而加入聚甲基丙烯酸甲脂則得到近似球形的孔隙。儘管不同造孔劑對應的孔隙形狀不同，但聲阻抗隨孔隙率的變化並無明顯差別，如圖1所示。
本發明所使用的鋯鈦酸鉛(PZT)、聚甲基丙烯酸甲脂(PMMA)、碳醯二胺(Urea)和硬脂酸(SA)等原料均為市售，所製備的多孔PZT壓電陶瓷各複合層的孔隙率在3-40％之間，每層厚度在0.2-0.5毫米之間。所述的多孔PZT壓電陶瓷的孔隙率優化結構為3.4％/9.7％/21.7％/36.7％，各層厚度為0.5/0.5/0.5/0.5毫米，多孔壓電陶瓷的層數為4層。
實施例1以市售的鋯鈦酸鉛(PZT)粉末(日本Sakai化學工業公司，Zr/Ti摩爾比為0.516/0.484，平均粒徑為0.97微米)和聚甲基丙烯酸甲脂(PMMA)粉末(日本Wako化學品公司，平均粒徑為34～76微米，密度為1.22g/cm3，熔點為160℃)為原料，分別配比10vol％PMMA、30vol％PMMA、50vol％PMMA等3種混合粉末，將純的PZT粉末與上述3種混合粉末等共4種粉末在模具中按照PMMA含量依次增加的順序在模具中鋪放，經過壓模、冷等靜壓、250℃保溫處理後，在1250℃溫度下燒結製備了孔隙率呈3.4％/9.7％/21.7％/36.7％梯度變化的多孔PZT壓電陶瓷，其顯微結構如圖3所示。從圖中可以看出，多孔壓電陶瓷共有4層，各層厚度均在0.5毫米左右，總厚度約為2.0毫米。
實施例2以市售的PZT粉末(日本Sakai化學工業公司，Zr/Ti摩爾比為0.516/0.484，平均粒徑為0.97微米)和碳醯二胺(Urea)粉末(四川化工總廠，平均粒徑為0.85～2.8毫米，密度為1.34g/cm3，熔點為132.7℃)為原料，分別配比10vol％Urea、30vol％Urea、50vol％Urea等3種混合粉末，將此3種混合粉末按照Urea含量依次增加的順序在模具中鋪放，經過壓模、冷等靜壓、200℃保溫處理後，在1200℃溫度下燒結製備了孔隙率呈6.3％/21.7％/32.8％梯度變化的多孔PZT壓電陶瓷，共有3層，各層厚度均在0.33毫米左右，總厚度約為1.0毫米。
實施例3以市售的PZT粉末(日本Sakai化學工業公司，Zr/Ti摩爾比為0.516/0.484，平均粒徑為0.97微米)和硬脂酸(SA)粉末(北京益利精細化學品有限公司，密度為0.94g/cm3，熔點為67℃)為原料，分別配比10vol％SA、20vol％SA、30vol％SA、40vol％SA等4種混合粉末，將純的PZT粉末與上述4種混合粉末等共5種粉末在模具中按照SA含量依次增加的順序在模具中鋪放，經過壓模、冷等靜壓、150℃保溫處理後，在1150℃溫度下燒結製備了孔隙率呈3.4％/9.1％/19.7％/25.1％/29.5％梯度變化的多孔PZT壓電陶瓷，共有5層，各層厚度均為0.33毫米，總厚度約為2.0毫米。
權利要求
1.一種多孔壓電陶瓷，其特徵在於所述的多孔壓電陶瓷由多層複合而成，在孔隙率3～40％的範圍內，層與層之間的孔隙率從高到低或從低到高呈梯度變化。
2.按照權利要求1所述的多孔壓電陶瓷，其特徵在於所述的多孔壓電陶瓷由3～5層組成，每層的厚度為0.2～0.5毫米。
3.按照權利要求1所述的多孔壓電陶瓷，其特徵在於所述的多孔壓電陶瓷的層數為4層；每層的孔隙率分別為3.4％、9.7％、21.7％和36.7％，各層厚度為0.5毫米。
4.一種如權利要求1所述的多孔壓電陶瓷的製備方法，其特徵在於該方法按如下步驟進行1)將壓電陶瓷和造孔劑按不同的體積比分別配製混合粉末，造孔劑佔混合粉末體積總量的0～50vol％；2)將不同比例的混合粉末在模具中按梯度變化的順序逐層鋪放；3)在80～120MP壓強下用壓片機對模具中的粉料進行壓模成型；4)壓模後的樣品放入乳膠包套並浸入油體，在180～250MP壓強下用冷等靜壓機對樣品進行等靜壓處理；5)將等靜壓處理後的樣品放入坩鍋內，將坩鍋放入加熱爐內，先在150～250℃溫度範圍內保溫一段時間，使樣品中的造孔劑完全揮發，然後在1150～1250℃溫度範圍內燒結1～2小時。
5.按照權利要求4所述的多孔壓電陶瓷的製備方法，其特徵在於在步驟1)中配製混合粉末時，至少研磨半小時；並在混合粉末中加入數滴作為粘結劑的5wt％含量的聚乙烯醇水溶液。
6.按照權利要求4所述的多孔壓電陶瓷的製備方法，其特徵在於所述的壓電陶瓷採用鋯鈦酸鉛，所述的造孔劑採用硬脂酸、聚甲基丙烯酸甲脂或碳醯二胺。
7.按照權利要求6所述的多孔壓電陶瓷的製備方法，其特徵在於在放入坩鍋內的樣品周圍放置PbZrO3粉末。
全文摘要
一種多孔壓電陶瓷及其製備方法，該方法以有機物作為造孔劑在壓電陶瓷中引入孔隙，通過逐層改變造孔劑含量形成多層複合的、孔隙率梯度變化的多孔壓電陶瓷。造孔劑含量為0－50vol％，所得孔隙率在3－40％之間。所述的多孔壓電陶瓷層數為3－5層，每層的厚度為0.2－0.5毫米，總厚度為1－2毫米。本發明的優點在於，沿厚度方向依次增加孔隙率使得多孔壓電陶瓷具有依次遞減的聲阻抗，聲阻抗的梯度變化避免了電學信號在壓電陶瓷與人體組織或水界面處的大量損失，從而提高了換能器的成像解析度。與1－3結構壓電複合材料相比，多孔壓電陶瓷的製備工藝相對簡單，生產成本較低，因而具有廣闊的應用前景。
文檔編號H01L41/24GK1953226SQ200610114599
公開日2007年4月25日 申請日期2006年11月17日 優先權日2006年11月17日
發明者李敬鋒, 張海龍 申請人:清華大學