本发明专利技术公开了钛酸铋钠和铌酸钾钠交替旋涂无铅压电厚膜的制备方法，该发明专利技术是以溶胶-凝胶法为基础，提供一种简单、易控制的工艺方法，首先分别制备稳定的BNT和KNN溶胶，然后先在(Pt/TiO2/Ti/SiO2/Si)基片上镀上KNN溶胶，转速为3200r/min,时间为30s，将湿膜在200℃烘干水分，然后在以4℃/min?升到500℃的马弗炉中，保温10min，第二层镀BNT膜，同样热处理条件，重复上述步骤三次，即交替旋涂6层，然后在700℃退火处理10min，最终获得厚度~4μm?KNN-BNT厚膜，所得到的厚膜晶粒均匀、排列紧密、表面平滑、无开裂。
【技术实现步骤摘要】
技术介绍
随着电子元器件小型化及新型电子元器件(如微电子机械器件，简称MEMS)的发展，极大地促进了材料的研究从体材料向膜材料的转变，因而从20世纪90年代世界各国科技工作者致力于寻找一种压电性能优越、制备方法简单、而不给环境带来损害的无铅陶瓷薄膜。具有ABO3型钙钛矿结构的Bia5Naa5TiO3 (BNTWPKa5Naa5NbO3 (KNN)基无铅压电陶 瓷薄膜具有压电系数高、介电常数小、居里温度高等特点，被认为是最有希望替代PZT压电陶瓷材料的无铅压电材料体系。但纯BNT无铅压电陶瓷薄膜的矫顽场强较高，难以极化；而传统工艺在制备纯的KNN无铅压电陶瓷薄膜过程中，由于成膜和热处理过程中碱金属元素容易挥发、难以获得表面致密的薄膜、不易获得饱和的电滞回线等特点，也制约了 KNN无铅压电薄膜的实用化发展。近年来，国内外开始尝试通过掺杂改性研究等各种方法制备BNT和KNN无铅压电薄膜，并取得了一定的进展，为无铅压电陶瓷薄膜的实用化奠定了良好的基础。Wang D Y等人采用脉冲激光沉积法成功得在(Pt/Ti02/Ti/Si02/Si)基片上制备了 BNT基掺杂Li、K的[Bi0.5 (Naa7Ka2Liai)tlJTiO3 (BNKLT)无铅压电陶瓷薄膜，此薄膜具有较高的剩余极化强度和较低的矫顽场强；Abazari等也采用脉冲激光沉积法制备了 KNN基001取向的KNN-LTS薄膜，晶粒呈柱状结构排列、厚度为600nm、表面平滑无裂痕。但由于脉冲激光法沉积速率、气体压力等工艺参数对薄膜性能有很大影响，因此国内西安交通大学的任巍小组采用复合溶胶法，使KNN粉末溶于BNT前驱体溶胶中，使用旋涂法在(Pt/Ti02/Ti/Si02/Si)上制得KNN-BNT厚膜，在旋涂过程中，使用缓冲层和真空渗透来提高膜的结构和密度，并研究了退火温度和KNN粉体对前驱体溶胶的重量比对膜结构和电性能的影响，结果显示当粉体对溶胶的重量比为O. 40，退火温度为750°C时，能获得介电常数和剩余极化强度分别达到848和23. 6 μ C/cm2的KNN-BNT厚膜，并将此材料应用于高频超声换能器。
技术实现思路
本专利技术提供了一种简单、易控制的工艺方法，分别制备稳定的BNT和KNN溶胶、通过交替旋涂、控制sol-gel工艺、热处理条件，以控制薄膜的形貌使其在特定的工艺条件下可以合成出晶粒均匀、表面光滑、纯钙钛矿相、最终厚度I飞μ m的KNN-BNT厚膜，这种膜材料在无铅压电陶瓷薄膜和1-3型压电复合材料制备中可能具有较好的应用前景。本方法，是以溶胶-凝胶法为基础，以五水硝酸铋(Bi (NO3). 5H20)、无水硝酸钠(NaN03)、钛酸四丁酯(C16H36O4Ti)为原料，乙二醇单甲醚(C3H8O2)为溶剂、乙酰丙酮(C5H8O2)为稳定剂，制备浓度为O. 25mol/L的Bia5Naa5TiO3 (BNT)前驱体溶胶；以氢氧化铌(Nb (OH) 5)、乙酸钾(CH3COOK )、乙酸钠(CH3COONa )为原料，以乙二醇(C2H6O2)为酯化齐U、柠檬酸为金属配位剂，引入聚乙烯吡咯烷酮(PVP)为改性剂，配制浓度为O. 6mol/L的Ka5Naa5NbO3 (KNN)前驱体溶胶，然后先在(Pt/Ti02/Ti/Si02/Si)基片上镀上KNN溶胶，热处理后再镀上BNT溶胶，重复以上步骤三次，即交替旋涂6层，然后退火处理获得KNN-BNT厚膜。所得到的薄膜晶粒均匀、排列紧密、表面平滑、无开裂。该方法制备工艺包括以下步骤a、制备KNN溶胶I)称取适量草酸溶于80°C去离子水中，将Nb (OH) 5溶于该溶液形成Nb-草酸溶液，反应O. 5h至溶液变澄清； 2)在Nb-草酸溶液中加入过量氨水形成Nb(OH)5沉淀，直至PH 9，然后在80°C水浴锅中陈化6h;3)反复用热的去离子水洗涤抽滤Nb(OH)5沉淀，以除去溶液中的草酸铵； 4)称取适量柠檬酸溶于80°C去离子水中，将Nb (OH) 5溶于该溶液形成Nb-柠檬酸溶液，反应Ih至溶液变澄清；按照r (K. Na+ :Nb5+)=0. 8:0. 8:1，加入CH3COOK和CH3COONa,待其全部溶解，向溶液中按r (EG:CA) =2:1加入乙二醇，不断搅拌，得到透明澄清溶液；5)以r (PVP单体KNN) =1:1比例加入PVP，待溶解后将溶液在80°C水浴中不断搅拌蒸发，得到无色透明KNN前驱体溶胶。b、制备BNT溶胶I)称取五水醋酸铋和醋酸钠溶于适量乙二醇单甲醚，稍微加热直至溶解，标为溶液A ；2)称量少量乙酰丙酮滴入B烧杯中，再加入称量的钛酸四丁酯，稍微加热直至混合均匀，而配成浅黄色的溶液B ;3)将B溶液缓慢滴入搅拌中的A溶液，70°C水浴加热回流6h，得到浅黄色澄清BNT溶胶。C、交替镀膜热处理在(Pt/Ti02/Ti/Si02/Si)基片上通过旋涂法镀KNN膜，转速为3200r/min，时间为30s，将湿膜在200°C烘干水分，然后在以4°C /min升到500°C的马弗炉中，保温lOmin，第二层镀BNT膜，同样热处理条件，重复上述步骤三次，即交替旋涂6层，然后在700°C退火处理IOmin,最终制得厚度 4 μ m的KNN-BNT厚膜。本专利技术为实现上述专利技术目的设计了以下技术方案所采用的原料为五水硝酸铋(B i (NO3). 5H20 )、无水硝酸钠(NaNO3)、钛酸四丁酯(C16H36O4Ti)，乙二醇单甲醚(C3H8O2)、乙酰丙酮(C5H8O2)、氢氧化铌(Nb (OH) 5)、乙酸钾(CH3COOK)、乙酸钠(CH3COONa)、乙二醇、柠檬酸，聚乙烯吡咯烷酮(PVP)、草酸、氨水，去离子水等，其中 r (Bi + Na+)=ll. l,v (C16H36O4Ti C5H802)=1. 6: l,r (K+ Na+ Nb5+)=0. 8:0. 8:1,r (EG:CA)=2:1, r (PVP 单体KNN) =1:1。本方法的特征在于a、有别于其他溶胶凝胶法中采用金属醇盐价格昂贵、易水解、不好控制等特点，采用二次沉淀的(Nb(OH)5)为铌源，提高了铌的活性，使其更易与柠檬酸发生络合反应；b、通过水和乙二醇甲醚为溶剂分别制备出KNN和BNT前驱体溶胶，降低了反应成本，促进了以后的工业实用化；C、在制备KNN溶胶时引入PVP改性，能降低热解温度，抑制碱金属离子的挥发，部分程度上减少了 KNN膜表面的多孔特点；d、采用交替旋涂，且最后一层为BNT溶胶，能弥补KNN膜表面多孔不致密的缺陷，降低了漏电流，从而提高了电性能。具体实施例方式实施例I : 以制备60ml浓度为O. 6mol/lKNN溶胶，50ml浓度为O. 25mol/l BNT溶胶为例，所需的原料为草酸30克、氢氧化铌10克、柠檬酸25g、乙酸钾2. 73g、乙酸钠3. 57g、乙二醇15g、PVP3. 67g、去离子水适量、氨水适量；五水醋酸铋3. 03g、醋酸钠O. 58g、乙二醇单甲醚43ml、乙酰丙酮2. 66g、钛酸四丁酯4. 25g。具体操作如下I、制备KNN溶胶I)将30g草酸溶于200ml 80°C下加热磁搅拌的去离子水中，将IOg Nb (OH) 5溶于该溶液，本文档来自技高网...
【技术保护点】
钛酸铋钠和铌酸钾钠交替旋涂无铅压电厚膜的制备方法的特征在于：a、本溶胶凝胶法采用二次沉淀的(Nb(OH)5)为铌源，使其与柠檬酸发生络合反应；b、通过水和乙二醇甲醚为溶剂分别制备出KNN和BNT前驱体溶胶；c、在制备KNN溶胶时引入PVP改性；d、采用交替旋涂，且最后一层为BNT溶胶。
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：张德庆，郑方圆，杨秀英，张辉，冯连振，曹茂盛，
申请(专利权)人：齐齐哈尔大学，
类型：发明
国别省市：
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