鈦酸鉍鈉鉀壓電厚膜的制備與性能研究.pdf

1、厚度為10-100μm的壓電厚膜兼具陶瓷與薄膜的優(yōu)點(diǎn)，隨著電子元器件向小型、高靈敏、集成、多功能方向發(fā)展，壓電厚膜及器件成為國(guó)內(nèi)外研究熱點(diǎn)。本文采用絲網(wǎng)印刷法制備出高致密鈦酸鉍鈉鉀無(wú)鉛壓電厚膜，并研究了厚膜微結(jié)構(gòu)和性能。 采用雙層印刷法在 Al2O3襯底上制備了厚度約為8μm的 Pt底電極，研究表明第一層和第二層分別在 600℃和 1200℃下燒結(jié)，Pt 電極具有最大表面覆蓋率和最小表面電阻，其方阻為0.044Ω/，平均粗糙度為

2、0.6μm；采用傳統(tǒng)固相法制備(Na0.82K0.18)0.5Bi0.5TiO3（NKBT）陶瓷粉體，以 5wt.％的乙基纖維素溶入到松油醇中配制粘合劑溶液，加入 2wt.％的二乙二醇丁醚醋酸酯作分散劑，1wt.％的鄰苯二甲酸二丁酯和聚乙二醇作增塑劑，將 NKBT 粉體與粘合劑溶液按 3：1的質(zhì)量比混合碾磨，得到 30℃時(shí) 18-1s 剪切速率下粘度為20-80Pa.s的厚膜漿料。 通過(guò)在 NKBT中摻入 La2O3和 MnO2

3、進(jìn)行材料的A位和B位摻雜改性，在厚膜漿料中加入低熔點(diǎn)氧化物 0.6Bi2O3-0.4Li2O 后實(shí)現(xiàn) NKBT 厚膜的低溫?zé)Y(jié)。結(jié)果表明適量的 MnO2摻雜 NKBT 厚膜晶粒明顯長(zhǎng)大、尺寸更均勻，致密度提高，四方相含量增加，摻 MnO2量為1.0 mol％厚度約為40μm的 NKBT 厚膜介電常數(shù)為735，損耗為2.2％（10kHz），縱向壓電系數(shù) d33為88pC/N，剩余極化強(qiáng)度為28.5μC/cm2，矯頑場(chǎng)強(qiáng)為54kV/cm，室

4、溫?zé)後岆娤禂?shù)為3.8×10-4 C/m2℃；La2O3的摻入使 NKBT厚膜晶粒細(xì)化，四方相含量增加，反鐵電相含量增加，最佳燒結(jié)溫度升高。摻 La2O3后 NKBT 厚膜的室溫介電常數(shù)增大，最大介電常數(shù)εmax 隨摻雜量的增加而降低，介電峰呈現(xiàn)更加寬化的趨勢(shì)。摻 La2O3量為1.0mol％時(shí)，NKBT 厚膜具有最小漏電流密度為1.56×10-9A/cm（外加電場(chǎng)為100kV/cm），壓電系數(shù) d33達(dá)到最大值 87pC/N，2摻 La

5、2O3量為0.5mol％的 NKBT 厚膜具有最大剩余極化強(qiáng)度為19.3μC/cm2；摻入3wt.％的 0.6Bi2O3-0.4Li2O的 NKBT 厚膜在1000℃下燒結(jié)后相對(duì)密度可達(dá)到95.54％，剩余極化強(qiáng)度為19.6μC/cm2。 研究了 NKBT厚膜的燒結(jié)特性、微結(jié)構(gòu)和性能，包括溶膠滲透填充對(duì) NKBT 厚膜的微結(jié)構(gòu)與性能的影響，NKBT 厚膜中的殘余應(yīng)力及其對(duì)電性能的影響，結(jié)果表明內(nèi)偏場(chǎng)以及低介電層的出現(xiàn)使 NKBT

6、 厚膜的性能與陶瓷有很大不同。采用復(fù)合溶膠滲透填充，在純?nèi)苣z中添加了相同成份的 NKBT 功能納米粉體，增加了填充到氣孔中的有效成分。當(dāng)溶膠中粉體含量為1.5g/ml時(shí)，填充 6 次后的 NKBT 厚膜具有較好的介電性能和鐵電性能，其介電常數(shù)為768，損耗為2.3％，剩余極化強(qiáng)度為21.3μC/cm2，矯頑場(chǎng)強(qiáng)為59kV/cm。添加 3wt.％的燒結(jié)助劑后的 NKBT 厚膜，再采用復(fù)合溶膠填充 12 次后，其縱向壓電系數(shù) d33達(dá)到 1

7、02pC/N。在 1100℃下燒結(jié)的厚度約 80μm的 NKBT 厚膜具有最大殘余張應(yīng)力約 136MPa，隨膜厚增加，厚膜殘余張應(yīng)力逐漸較小，當(dāng)殘余應(yīng)力減少到84MPa時(shí)，剩余極化強(qiáng)度增大到25.3μC/cm2、矯頑場(chǎng)強(qiáng)減小至 48kV/cm。 研究了 NKBT 厚膜的疲勞、老化特性，結(jié)果表明 NKBT 厚膜疲勞、老化的主要原因是缺陷濃度增加，疇壁運(yùn)動(dòng)被遏制，以及用來(lái)穩(wěn)定 90?疇結(jié)構(gòu)的缺陷偶極子的緩慢轉(zhuǎn)向。溫度升高使氧空位濃度