在电场下确定晶体取向的压电陶瓷及其制造方法技术

公开了一种通过在电场下对非晶态材料进行结晶化控制来在结构上确定晶体取向的压电陶瓷及其制造方法。对该非晶态材料施加电场以产生确定晶体取向的压电陶瓷。该材料是以１∶２的比例包括有Ｌｉ↓［２］Ｏ和Ｂ↓［２］Ｏ↓［３］的非晶态Ｌｉ↓［２］Ｂ↓［４］Ｏ↓［７］，并且该材料可以用于信息技术、器件技术、机械技术等等。（*该技术在2022年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及压电陶瓷，更具体地，涉及一种通过在电场下对非晶态材料进行结晶化控制来在结构上确定晶体取向的压电陶瓷及其制造方法。
技术介绍
通常，考虑到物理方面，非晶态材料的特征是不具有晶体表现出的长程序，尽管可能局部范围上具有某种规则性结构，即短程序。具有各向同性的固体可以由在结构上无序的非晶制成，以提供由大范围的组合导致的不同特性。另外，如果向该非晶施加能量，则通过初晶相变会实现结晶化。如果通过晶核生成和生长而结晶了大块的非晶，则该材料变成具有不同轴向的晶粒的多晶材料。在大块陶瓷材料的大块中，晶粒的晶轴分别取向不同的方向。为了将具有压电特性的陶瓷用作压电装置，必须尽可能使样品中的晶粒的极化方向取向任何一个方向。将应用尽可能高的直流电场的轮询(polling)方法用于确定极化方向。根据样品的物理特性，电场的大小是变化的；然而，要求电场的范围是从几KV/mm到几十KV/mm。上述方法所应用的材料主要是铁电材料。表示压电特性的耦合系数(取决于极化方向的分布度)与电场的大小和晶粒的平均尺寸有关，但该耦合系数不对信号晶体值产生影响。因此，如果在所述非晶态材料的结晶化期间将所述电场沿一个方向施加到所述材料上，则在电场的施加方向上影响离子、原子或分子的能量比施加在其它方向上的能量大，导致元素更加活跃。在容易发生极化并与电场一致的方向上晶体的生长比在其它轴的方向上更加活跃。
技术实现思路
因此，本专利技术的一个目的是解决现有技术中存在的这些问题，并提供一种利用物理现象来制造确定晶体取向的陶瓷的方法。本专利技术的另一个目的是提供一种制造压电陶瓷的方法，并提供由上述方法制造的压电陶瓷，该压电陶瓷在非晶态材料的结晶化过程中具有取向为一个方向的晶轴。本专利技术的再一个目的是提供一种制造具有仅次于单晶陶瓷的压电效应的陶瓷的方法，以及由上述方法制造的压电陶瓷。根据本专利技术，棒状晶粒的轴取向为一个方向，从而与单晶陶瓷相比，该取向方向的压电特性得到了改进。可以将该压电材料应用于各种领域，诸如传感器、滤波器、致动器、振荡器、表面声波器件等等。根据本专利技术，可以将利用非晶态材料来制造具有压电特性的陶瓷的方法应用到非铁电材料。另外，本专利技术提供了一种通过在电场下使非晶态材料结晶来使棒状晶粒取向为一个方向的新方法。具体地，与单晶陶瓷相比，本专利技术显著改进了确定晶体取向的陶瓷的压电特性。该方法可以应用到各种压电器件以改进性能。附图说明本专利技术的上述目的、其它特征和优点将通过参照附图描述优选实施例而变得更加明了，其中图1示出了在电场下结晶的Li2B4O7陶瓷的X射线衍射图案的曲线图；图2是表示根据本专利技术的厚度为1.33mm的Li2B4O7非晶陶瓷的横截面的SEM图片；图3是表示根据本专利技术在3.8V/mm的电场下、在530℃的温度时局部结晶的部分的SEM图片；图4是根据本专利技术的结晶部分的放大SEM图片；图5是根据本专利技术的结晶样品的放大SEM图片； 图6是根据本专利技术在非晶态Li2B4O7的结晶化过程中，棒状细晶粒的生长方向和晶粒的纵向的示意图；图7示出了根据本专利技术的棒状晶粒相对于c轴分布的示意图；图8示出了根据本专利技术，当将厚度为0.46mm并且半径为2.7mm的盘状样品取向为c轴方向并且在该c轴方向施加电场时，在谐振频率下电介质部分的实部和虚部的变化曲线图。具体实施例方式现在将具体描述本专利技术的实施例，其示例在附图中示出。根据该实施例，对非晶态材料施加低交变电场(优选地0.1V/mm至10V/mm)，同时使该非晶态材料结晶以在该电场下制造确定晶体取向的压电陶瓷，从而获得具有良好压电效应的样品。如果本专利技术所提出的方法不是由铁电材料而是由单晶材料制成的，则所述样品表现出压电特性。因此，在使用非铁电材料的其它材料的情况下，由根据本专利技术的方法制造出的陶瓷样品也表现出良好的压电特性。通过以1∶2的比例混合并熔化Li2O和B2O3，并将该混合物平淬火(flat-quenching)来预备Li2B4O7非晶样品。通过溅射方法将用作电极的金淀积在厚度为1.3毫米和面积为5×10mm2的Li2B4O7非晶样品的两个宽面上。对该非晶样品施加频率为1至50Hz、范围为几V/mm至几十V/mm(优选地，从0.1V/mm至10V/mm)的电场，并将其在450℃以上的电炉中结晶。这时，优选地，所施加的频率是10Hz，所施加的电场是3.8V/mm，并且温度是530℃。图1至8中示出了通过上述方法制造出的Li2B4O7的非晶压电陶瓷的特性。具体地，图1示出了在电场下结晶的Li2B4O7压电陶瓷的X射线衍射图案。在测量该图案时该样品面垂直于入射的X射线。应该理解散射角为34.87°的峰值对应于(004)方向，并且该陶瓷中的晶粒相对于晶轴c被很好地定向。另外，应该理解散射角为55.30°的峰值对应于(116)方向，并且该陶瓷中的晶粒相对于任何一个方向未被定向，而是分布于某些角度。由于晶轴(004)和(116)所形成的角是13.26°，所以该样品中的晶粒相对于c轴被很好地定向，c轴具有上述角度的分布。应该理解，因为所施加的电场方向垂直该样品面，所以晶粒的c轴垂直于或取向于该样品面。图2是表示厚度为1.33mm的Li2B4O7非晶陶瓷的横截面的SEM图片。形成在两个表面上的薄的白色部分是为了施加电场而通过溅射工艺所淀积的金电极。图3是表示在3.8V/mm的电场、530℃的温度下局部结晶化图案的SEM图片；应该理解该结晶化发生在两个表面上方厚度为140μm的区域上。该图片的尺寸是2,000μm×2,900μm。图4是结晶化部分的放大SEM图片。应该理解，所有的棒状晶粒都取向在一个方向。根据X射线衍射测试可以知道，该棒状的纵向平行于c轴方向。该图片的尺寸是8μm×11.7μm。图5是结晶化样品的放大SEM图片。应该理解，直径为250nm至500nm的所有晶粒都取向为一个方向(c轴)。该图片的尺寸是1.6μm×2.3μm。图6是在Li2B4O7的非晶陶瓷的结晶化过程中，棒状细晶粒的生长方向和晶粒的纵向的示意图。应该理解，施加交变电场的方向、棒状晶粒的纵向和晶粒的c轴方向都是相互一致的。图7示出了棒状晶粒相对于c轴的分布的示意图。棒状晶粒的大部分分布在相对于c轴成15°角的范围内。图8示出了当厚度为0.46mm并且半径为2.7mm的盘状样品取向为c轴方向并且在该c轴方向施加电场时，在谐振频率下电介质部分的实部和虚部的变化曲线图。根据该实施例，Li2B4O7棒状晶粒朝向ab面的生长非常受限。c轴方向的生长速度在530℃时为22μm/min，在大约30分钟内完成了厚度为1.3mm的结晶化。另外，当根据该实施例的样品被制成厚度为0.46mm、半径为2.7mm的盘状，并且在c轴方向施加电场时，纵向耦合因数为kj＝0.13，横向耦合因数为kt＝0.48，从而提供了可与单晶Li2B4O7相比拟的压电效应。尽管参照优选实施例描述和说明了本专利技术，但是对于本领域的普通技术人员来讲，显然可以在不脱离本专利技术的精神和范围的情况下作出各种修改和变化。因此，本专利技术旨在覆盖落入所附权利要求及其等同物范围内的对本专利技术的修改和变化。工业适用性从以上说明可明显看出，本专利技术提供了一种制造具有可与单晶陶瓷相比的压电效应的材料的新方法。该方法可以本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种通过使用铁电材料或非铁电材料来制造压电陶瓷的方法，该方法包括如下步骤：向所述铁电材料或非铁电材料施加电场，以形成确定晶体取向的压电陶瓷。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种通过使用铁电材料或非铁电材料来制造压电陶瓷的方法，该方法包括如下步骤向所述铁电材料或非铁电材料施加电场，以形成确定晶体取向的压电陶瓷。2.根据权利要求1所述的方法，其中所述电场是交变电场。3.根据权利要求1或2所述的方法，其中所施加的电场强度是0.1V/mm至10V/mm。4.一种通过根据权利要求1至3中的任意一项所述的方法制造出的压电陶瓷。5.一种制造压电陶瓷的方法，包括如下步骤以1∶2的比例混合并...

【专利技术属性】
技术研发人员：梁龙锡，金秀宰，金钟洙，
申请(专利权)人：技星金属株式会社，梁龙锡，金秀宰，
类型：发明
国别省市：KR[韩国]