CN101550029A - 一种石墨电极功能陶瓷器件及其制备方法 - Google Patents

一种石墨电极功能陶瓷器件及其制备方法 Download PDF

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一种石墨电极功能陶瓷器件及其制备方法，属于功能陶瓷材料领域。目前功能陶瓷的电极材料一般使用贵金属银，它在功能陶瓷器件的应用无疑增加了电器的成本，并且银在空气中容易被氧化和硫化，在一些恶劣环境中使用时造成性能劣化，寻找一种非银电极材料具有重要的意义。石墨在自然界中资源丰富，具有超群的耐热性、化学稳定性、高导电性，本发明以石墨作为功能陶瓷的电极材料，不仅降低了生产成本，提高了使用寿命，并且经测试涂覆石墨电极的功能陶瓷器件与以往的银电极陶瓷器件相比，压电、介电性能得到显著提高，其他性能不低于焙银陶瓷器件。

Description

一种石墨电极功能陶瓷器件及其制备方法
技术领域
本发明属于功能陶瓷材料领域，特别提供了一种石墨电极功能陶瓷器件及其制备方法。
背景技术
功能陶瓷具有电、磁、光、声、热、化学、生物等各种性能，并且通过各种性能的相互耦合显示各种功能和效应，在微电子技术、光电子技术、传感技术、水声工程、医用仪器、航空航天技术以及家用电器等方面得到了广泛的应用。功能陶瓷介质最重要的性质是在外电场作用下能够极化，也就是介质内质点(原子、分子、离子)正负电荷重心分离转变成偶极子的过程，经过极化工艺处理的陶瓷显示各种功能和效应。极化是功能陶瓷制备过程中至关重要的一个环节，将直接影响着功能陶瓷电学性能的好坏。在功能陶瓷的极化过程中，电极材料的选择至关重要。传统的极化工艺采用银作为电极材料，存在以下缺点：(1)银作为一种贵重金属，其价格随市场波动大，且呈上升趋势，银的价格直接影响着功能陶瓷器件的生产成本；(2)银在空气中易被氧化和硫化，使得功能陶瓷器件在一些恶劣环境中使用时性能劣化；(3)由于焙银的厚度不均匀，使得功能陶瓷的电学性能以及成品率明显下降。目前研究资料表明，对取代银电极的研究已经取得了一定的进展。专利CN1885583A公开了一种锡或锡合金电极压电陶瓷器件，此电极材料与基体的附着力强、抗拉力大。专利CN2614386Y公开的镍磷合金电极压电陶瓷器件是在压电陶瓷基体上先后涂覆薄银层、镍磷合金层和钛膜或锆膜层，这种复合电极层具有耐磨损、强度大、耐腐蚀等优点。专利CN2696135Y公开了一种钝化银电极陶瓷元件，即在陶瓷元件的银电极上再覆盖一层钝化银膜，达到提高抗氧化能力，在使用和储存过程中不改变其可焊性和导电性能的目的，但是该专利没有设计此种钝化银膜的制备工艺以及成分。专利CN101354961A涉及一种陶瓷电容器电极用导电铜浆的制备方法，即以乙基纤维素、酚醛树脂、超细铜粉、硼硅玻璃粉以及稀释剂为原料，经过充分混合、碾磨制得导电铜浆。该电极的性能与贵金属银制成导电浆料相同，价格低廉，明显降低了陶瓷电容器的制造成本。专利CN1598982A发明一种片式多层陶瓷电容器用电极浆料，此电极浆料包括镍金属粉、陶瓷添加剂以及有机载体。用该浆料制作的陶瓷电容器具有电学性能优异、可靠性高、易小型化、容量大等优点，并可防止陶瓷体开裂、降低生产成本。专利CN1402273A公开一种高比电容电极材料的制备方法，包括以石油焦或沥青焦为原料、KOH为活化剂制备高比表面积粉状活性炭，以及用酚醛树脂、糠醛为原料制备炭气凝胶后，将二者以1∶0.05～1的质量比混合，加入2-10％的粘结剂，混合均匀后即可制成高比电容的电极材料。专利CN1328328A公开了一种镍电极PTC(Positive Temperature Coefficient)压电陶瓷元件及其制造工艺，在PTC压电陶瓷片上用化学镀或电镀工艺镀覆镍电极，经高温处理后制得镍电极PTC压电陶瓷元件，该电极强度高、不易氧化，在高电压冲击下电阻变化小，使用寿命长，生产周期短。专利CN2489437Y公开了一种用于发热电器的钛合金电极压电陶瓷元件，在压电陶瓷片上镀覆镍电极，在镍电极上加镀钛合金电极。此种压电陶瓷保持了镍电极压电陶瓷元件的优点，具有明显抗氧化腐蚀和经电压冲击寿命试验电阻变化较小的特点。
综上所述，目前对功能陶瓷电极材料的研究主要从降低生产成本、提高电极材料的稳定性以及使用寿命方面入手，研究大多采用以贱金属取代贵金属银作为电极材料，这对降低生产成本有一定的功效。然而，上述发明为了保证陶瓷其他方面的性能(如电极强度、抗腐蚀性等)而使制备工艺复杂化，造成了陶瓷生产周期的延长，不适宜大规模的生产利用。石墨电极由于制备简便、价格低廉、电位窗口较宽、性能稳定等优点，已被广泛的研究和应用，但是目前均未见到在功能陶瓷领域中使用石墨作为电极材料的研究报道。
发明内容
本发明目的是用廉价的石墨材料代替贵金属银，降低含银电极器件的生产成本，简化制作工艺，解决以往银电极在焊接过程中牢固性差，产品合格率低的技术难题。
一种石墨电极功能陶瓷器件及其制备方法，其特征在于在压电陶瓷表面采用手工涂覆法、磁控溅射法、熔融淬火法、脉冲激光沉积法、热喷涂法或真空蒸镀法等方式制备石墨电极薄膜，再将石墨电极薄膜放入硅油中加热至120℃，在4kV/mm电压下保持50min进行极化，降温至室温，测试相关性能。
所述石墨电极适用于以下几种功能陶瓷：
(1)锆钛酸铅基压电陶瓷，化学式为：(1-x)Pb(TiaZrb)O3-xABO3(a+b＝1，0≤x≤0.05，A＝K，Na，Li，Ca，Ag，Cd，Sr，Ba，Bi；B＝Sb，Ta，Nb，Sn，Hf，Ce)
(2)铌酸钾钠基压电陶瓷，化学式为：(1-x)(NaaKb)NbO3-xABO3(a+b＝1，0≤x≤0.05，A＝Li，Ca，Ag，Cd，Sr，Ba，Bi，Pb；B＝Sb，Ta，Ti，Zr，Mg，Co，Ni，Cu，Zn)
(3)钛酸钡基压电陶瓷，化学式为：(1-x)BaTiO3-xABO3(0≤x≤0.05，A＝K，Na，Li，Sr，Ca，Pb；B＝Sb，Ta，Zr，Sn，Hf，Ce)
(4)钛酸铋钠基压电陶瓷，化学式为：(1-x)BiaNabTiO3-xABO3(a+b＝1，0≤x≤0.05，A＝K，Li，Ca，Ag，Cd，Sr，Ba，Pb；B＝Sb，Ta，Mg，Co，Ni，Cu，Zn)
(5)铋层状结构基压电陶瓷，化学式为：(Bi2O2)2+·(Ax-1BxO3x+1)2-(0≤x≤0.05，A＝K，Na，Li，Ca，Ag，Cd，Sr，Ba，Pb；B＝Sb，Ta，Ti，Zr，Sn，Hf，Ce)
(6)(SrxBa1-x)Nb2O6基压电陶瓷(0≤x≤0.05)
(7)(AxSn1-x)NaNb5O15基压电陶瓷(0≤x≤0.05，A＝Ba，Ca，Mg)
(8)Ba4-2xAg2+xLnxNb10O30基压电陶瓷(0≤x≤0.05，Ln＝Gd，Dy，Nd，Sm，La，Pr)
(9)Ba1-xSrxTiO3基压电陶瓷(0≤x≤0.05)
本发明的石墨电极的膜厚为100-5000nm，颗粒度为10-5000nm，导电率为0.769×105～0.125×106S/m。
本发明的优点在于：(1)采用廉价的石墨材料代替贵金属银，大幅度降低了含银电极器件的生产成本；(2)制作工艺简单，镀层均匀、结合牢固，解决了以往银电极在焊接过程中牢固性差，产品合格率低的技术难题。(3)石墨具有超群的耐热性、化学稳定性以及高导电性等优良特性，以石墨电极取代银作为电极材料，显著提高了功能陶瓷的相关电学性能，有效地避免银在一些恶劣环境中使用时性能劣化的缺陷，提高了功能陶瓷器件的使用寿命。
具体实施方式
下面列举本发明在压电陶瓷领域的实施例，在以下的各个实例中分别制备相应的焙银电极功能陶瓷作为对比试样。
实施例1：
将经双面抛光、清洗过的(Na0.535K0.480)0.942Li0.058)NbO3-0.01CuO压电陶瓷圆片作为衬底置于真空度为2×10-4Pa的磁控溅射装置，衬底温度为室温。利用Ar+经电场加速后成为高能入射粒子撞击石墨靶材，使石墨原子离开靶从而被溅射出来，在离靶材的表面数厘米处放置的陶瓷衬底上附着、堆积、沉积成石墨电极薄膜，射频溅射时间为2个小时，最后得到膜厚为700nm，颗粒度为200-300nm，导电率为0.813×105S/m的石墨，然后在500℃退火30min。再将其放入硅油中加热至120℃，在4kV/mm电压下保持50min进行极化，最后降至室温，测试相关性能。
各项性能的测试结果如表1所示：
  电极涂覆方法   d33(pC/N)   kp(％)   εr   tanδ
  石墨电极陶瓷片   169   45.8   571   0.115
  焙银陶瓷片   155   44.3   569   0.118
实施例2：
将经双面抛光、清洗过的Bi0.5Na0.5TiO3压电陶瓷圆片作为衬底置于真空度为2×10-4Pa的脉冲激光沉积装置内，加热衬底至200℃，开启闪分子脉冲激光器，将脉冲激光导入真空生长室，并聚焦于石墨靶材上，靶材吸收激光束高能量在瞬间熔融蒸发出石墨羽团在衬底上沉积生长出石墨导电薄膜，沉积时间为60min，最后得到膜厚为5μm，颗粒度为200-300nm，导电率为0.930×105S/m的石墨，随后在400℃退火30min。再将其放入硅油中加热至120℃，在4kV/mm电压下保持50min进行极化，最后降至室温，测试相关性能。
各项性能的测试结果如表2所示：
  电极涂覆方法   d33(pC/N)   kp(％)   εr   tanδ
  石墨电极陶瓷片   95   46.0   449   0.019
  焙银陶瓷片   78   46.2   436   0.021
实施例3：
将经双面抛光、清洗过的(Na0.517K0.446Li0.038)NbO3压电陶瓷圆片以及石墨靶材放入真空度为2×10-4Pa的真空镀膜装置，加温至80℃，充入氩气使压强达到2×10-1Pa。弧电流为100A，两电极之间的距离为100mm，镀膜速度为0.3nm/s，最后得到膜厚为1μm，颗粒度为100-200nm，导电率为0.121×106S/m的石墨，再将其放入硅油中加热至120℃，在4kV/mm电压下保持50min进行极化，降温至室温，测试相关性能。
各项性能的测试结果如表3所示：
  电极涂覆方法   d33(pC/N)   kp(％)   εr   tanδ
  石墨电极陶瓷片   241   43.0   772   0.015
  焙银陶瓷片   225   42.2   758   0.018
实施例4：
将经双面抛光、清洗过的PZT(Zr/Ti＝0.516/0.484)压电陶瓷圆片放入不锈钢掩模夹具中，以螺钉、螺帽紧固后，送入喷枪下的工作平台，喷涂所用的氧气压为0.4公斤/cm2，乙炔气压为0.5公斤/cm2。陶瓷固体元件喷涂前，先预热到200℃，然后降温至120℃，开始喷涂。喷涂时，先喷涂陶瓷片的一面，然后反转夹具，再喷涂另一面。喷涂完成后，缓冷至室温。最后得到膜厚为5μm，颗粒度为200-300nm，导电率为0.782×105S/m的石墨，将其放入硅油中加热至120℃，在4kV/mm电压下极化50min，最后降至室温，测试相关性能。
各项性能的测试结果如表4所示：
  电极涂覆方法   d33(pC/N)   kp(％)   εr   tanδ
  石墨电极陶瓷片   349   56.3％   1502   0.020
  焙银陶瓷片   328   55.2％   1498   0.024
实施例5：
将石墨放入底部开有直径为0.8mm小孔的石英坩埚中，然后将其放入压强为2×10-1Pa的Ar气氛中用高频加热方法熔融，加热至1700℃熔融。熔融表面用Ar气加压，并将熔融石墨于室温从一个以20cm/sec的圆周速度旋转的Cu辊外表面高速注射到经双面抛光、清洗过的Ba2AgNb5O15压电陶瓷圆片表面，最后得到膜厚为800nm，颗粒度为50-150nm，导电率为0.956×105S/m的石墨，再将其放入硅油中加热至120℃，在4kV/mm电压下极化50min，最后降至室温，测试相关性能。
各项性能的测试结果如表5所示：
  电极涂覆方法   d33(pC/N)   kp(％)   εr   tanδ
  石墨电极陶瓷片   139   43.1   362   0.035
  焙银陶瓷片   125   42.8   358   0.035
实施例6：
将BaTiO3压电陶瓷圆片的双面进行抛光、清洗，利用手工涂覆法将块体石墨均匀涂覆到陶瓷片的上下两个表面，然后在520℃退火30min，最后得到膜厚为5μm，颗粒度为1-2μm，导电率为0.125×106S/m的石墨，再将其放入硅油中加热至120℃，在4kV/mm电压下极化50min，最后降至室温，测试相关性能。
各项性能的测试结果如表6所示：
  电极涂覆方法   d33(pC/N)   kp(％)   εr   tanδ
  石墨电极陶瓷片   268   52.3   1103   0.046
  焙银陶瓷片   256   48.5   1005   0.045
实施例7：
将经双面抛光、清洗过的SrBi4Ti4O15压电陶瓷圆片以及石墨靶材放入真空度为2×10-4Pa的真空镀膜装置，加温至80℃，充入氩气使压强达到2×10-1Pa。弧电流为100A，两电极之间的距离为100mm，镀膜速度为0.3nm/s，最后得到膜厚为1μm，颗粒度为100-200nm，导电率为0.881×105S/m的石墨，再将其放入硅油中加热至120℃，在4kV/mm电压下保持50min进行极化，降温至室温，测试相关性能。
各项性能的测试结果如表7所示：
  电极涂覆方法   d33(pC/N)   kp(％)   εr   tanδ
  石墨电极陶瓷片   45   24.1   254   0.078
  焙银陶瓷片   26   21.5   243   0.069
实施例8：
将经双面抛光、清洗过的Ba3La3Ti5Ta5O30压电陶瓷圆片作为衬底置于真空度为2×10-4Pa的脉冲激光沉积装置内，加热衬底至200℃，开启闪分子脉冲激光器，将脉冲激光导入真空生长室，并聚焦于石墨靶材上，靶材吸收激光束高能量在瞬间熔融蒸发出石墨羽团在衬底上沉积生长出石墨导电薄膜，沉积时间为60min，最后得到膜厚为5μm，颗粒度为200-300nm，导电率为0.793×105S/m的石墨，随后在400℃退火30min。再将其放入硅油中加热至120℃，在4kV/mm电压下保持50min进行极化，最后降至室温，测试相关性能。
各项性能的测试结果如表8所示：
  电极涂覆方法   d33(pC/N)   kp(％)   εr   tanδ
  石墨电极陶瓷片   36   16.8   136.3   0.018
  焙银陶瓷片   30   15.7   136.3   0.013
实施例9：
将经双面抛光、清洗过的Sr0.53Ba0.47Nb2O6压电陶瓷圆片作为衬底置于真空度为2×10-4Pa的磁控溅射装置，衬底温度为室温。利用Ar+经电场加速后成为高能入射粒子撞击石墨靶材，使石墨原子离开靶从而被溅射出来，在离靶材的表面数厘米处放置的陶瓷衬底上附着、堆积、沉积成石墨电极薄膜，射频溅射时间为2个小时，最后得到膜厚为700nm，颗粒度为200-300nm，导电率为0.118×106S/m的石墨，然后在500℃退火30min。再将其放入硅油中加热至120℃，在4kV/mm电压下保持50min进行极化，最后降至室温，测试相关性能。
各项性能的测试结果如表9所示：
  电极涂覆方法   d33(pC/N)   kp(％)   εr   tanδ
  石墨电极陶瓷片   89   24.5   268   0.204
  焙银陶瓷片   78   23.6   239   0.215

Claims (3)

1、一种石墨电极功能陶瓷器件及其制备方法，其特征在于在压电陶瓷表面采用手工涂覆法、磁控溅射法、熔融淬火法、脉冲激光沉积法、热喷涂法或真空蒸镀法制备石墨电极薄膜，再将石墨电极薄膜放入硅油中加热至120℃，在4kV/mm电压下保持50min进行极化，降温至室温，测试相关性能。
2.如权利要求1所述的石墨电极功能陶瓷器件及其制备方法，其特征在于石墨电极的膜厚为100-5000nm，颗粒度为10-5000nm，导电率为0.769×105～0.125×106S/m。
3.如权利要求1或2所述的石墨电极功能陶瓷器件及其制备方法，其特征在于适用的功能陶瓷包括：
(1)锆钛酸铅基压电陶瓷，化学式为：(1-x)Pb(TiaZrb)O3-xABO3，a+b＝1，0≤x≤0.05，A＝K，Na，Li，Ca，Ag，Cd，Sr，Ba，Bi；B＝Sb，Ta，Nb，Sn，Hf，Ce；
(2)铌酸钾钠基压电陶瓷，化学式为：(1-x)(NaaKb)NbO3-xABO3，a+b＝1，0≤x≤0.05，A＝Li，Ca，Ag，Cd，Sr，Ba，Bi，Pb；B＝Sb，Ta，Ti，Zr，Mg，Co，Ni，Cu，Zn；
(3)钛酸钡基压电陶瓷，化学式为：(1-x)BaTiO3-xABO3，0≤x≤0.05，A＝K，Na，Li，Sr，Ca，Pb；B＝Sb，Ta，Zr，Sn，Hf，Ce；
(4)钛酸铋钠基压电陶瓷，化学式为：(1-x)BiaNabTiO3-xABO3，a+b＝1，0≤x≤0.05，A＝K，Li，Ca，Ag，Cd，Sr，Ba，Pb；B＝Sb，Ta，Mg，Co，Ni，Cu，Zn；
(5)铋层状结构基压电陶瓷，化学式为：(Bi2O2)2+·(Ax-1BxO3x+1)2-，0≤x≤0.05，A＝K，Na，Li，Ca，Ag，Cd，Sr，Ba，Pb；B＝Sb，Ta，Ti，Zr，Sn，Hf，Ce；
(6)(SrxBa1-x)Nb2O6基压电陶瓷，0≤x≤0.05；
(7)(AxSn1-x)NaNb5O15基压电陶瓷，0≤x≤0.05，A＝Ba，Ca，Mg；
(8)Ba4-2xAg2+xLnxNb10O30基压电陶瓷，0≤x≤0.05，Ln＝Gd，Dy，Nd，Sm，La，Pr)；
(9)Ba1-xSrxTiO3基压电陶瓷，0≤x≤0.05。
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