CN102484200B

CN102484200B - 压电陶瓷体的制造方法

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Publication number: CN102484200B
Application number: CN201080032563.9A
Authority: CN
Inventors: D·留弗; L·里格尼尔
Original assignee: Sonavation Inc
Current assignee: Sonavation Inc
Priority date: 2009-06-19
Filing date: 2010-06-21
Publication date: 2015-11-25
Anticipated expiration: 2030-06-21
Also published as: KR20120046177A; WO2010147675A1; CA2765941A1; CN102484200A; US8703040B2; EP2443679A1; JP2012531036A; US20110010904A1; EP2443679A4; US20140339459A1

Abstract

本发明涉及压电陶瓷体的制造方法和由其得到的器件。该方法包括：将压电陶瓷粉末与聚合物粘结剂和表面活性剂混合以形成料浆混合物，将该料浆混合物浇注到模具中并且在该模具中使该料浆混合物固化以形成生坯，切割该生坯以形成切割的生坯，该切割的生坯具有微米尺寸的陶瓷元件和间隔的阵列，和将该切割的生坯烧结以形成烧结陶瓷体。可对该烧结陶瓷体进一步加工以将其包封到聚合物材料中以形成压电陶瓷-聚合物复合材料。可对该压电陶瓷-聚合物复合材料进一步加工以形成器件例如声换能器和传感器。

Description

压电陶瓷体的制造方法

技术领域

本发明涉及用于器件例如换能器(transducer)和传感器的压电陶瓷复合材料的制造方法。更具体地，本发明涉及用于压电陶瓷-聚合物复合材料的压电陶瓷体的制造方法。

背景技术

压电复合材料已以日益增加的频率在用于超声成像、生物测定学和非破坏性试验(NDT)的声换能器中使用。典型地，在这样的换能器中的声活性元件由压电陶瓷材料制成。但是，对于大阵列声换能器的市场需求已受到制造压电复合材料中涉及的高成本限制。高成本主要起因于与制造用于换能器的陶瓷体关联的制造方法中的困难。

制造用于换能器的压电复合材料的最常用的制造方法是切块和填充(D&F)法。D&F法中，将切片锯(wafersaw)用于在烧结压电陶瓷体中切出矩形或菱形切槽的格网而不是一直切穿(即留下固体材料基底)。然后将切槽用聚合物填充；称为包封的方法。该方法生产出由聚合物填充物包围的陶瓷柱的矩阵。通过将陶瓷体的任何未开槽的截面磨掉、将暴露的陶瓷的表面电镀、机加工成形状和极化(poling)来继续进一步加工以制造换能器或传感器。

但是，D&F法具有几个限制。一个这样的限制是，取决于换能器的频率和相关的柱间距，D&F法花费约$100-$200/平方英寸。此外，由于压电烧结陶瓷体的硬度，耗费加工时间；只能够以约3mm/秒-5mm/秒的速度切块。此外，切块利用薄金刚石涂布刀片以将陶瓷体开槽(切割)。刀片价格高，具有短的使用寿命，并且难以更换。

因此，需要的是：用于可靠地制造压电陶瓷体的更高效率且更低成本的方法，该压电陶瓷体用来制造用于大阵列声换能器和传感器的压电复合材料。还需要改善收缩控制和减小翘曲的方法和/或体系。控制收缩允许更高效率地加工用于制造换能器和传感器的烧结陶瓷体。

发明内容

本发明提供改进的制造压电复合材料的方法。在一个实施方案中，本发明包括压电陶瓷体的制造方法，该方法包括：将陶瓷粉末、聚合物粘结剂和表面活性剂混合以形成具有以重量计的固体负载的料浆混合物；将所述料浆混合物浇注到模具中；在所述模具中使该料浆混合物固化以形成生坯；将所述生坯与所述模具分离；切割所述生坯以形成切割的生坯，该切割的生坯具有包含多个微米尺寸陶瓷元件和间隔的阵列；和烧结所述切割的生坯以形成致密化的烧结体。

根据本发明的另一方面，对该烧结陶瓷体进一步加工以通过将该烧结陶瓷体包封在聚合物材料中而形成压电陶瓷-聚合物复合材料。

在另一实施方案中，本发明包括压电复合材料的制造方法，该方法包括：将压电陶瓷粉末、有机粘结剂和表面活性剂混合以形成料浆，其中所述料浆具有至少90重量％的固体负载；将所述料浆浇注到模具中以形成生坯；将所述生坯与所述模具分离；切割所述生坯以形成切割的生坯，该切割的生坯具有微米尺寸的陶瓷元件和间隔的阵列；素烧(bisquing)所述切割生坯以将所述聚合物粘结剂烧掉；烧结所述切割的生坯以形成烧结陶瓷体；和将所述烧结陶瓷体包封在聚合物材料中以形成压电陶瓷-聚合物复合材料。

根据本发明的另一方面，对该压电复合材料进一步加工以形成器件，例如声换能器或传感器。

在替代性实施方案中，本发明包括网状压电复合材料的制造方法，该方法包括：将压电陶瓷粉末、有机粘结剂和表面活性剂和任选的分散剂混合以形成料浆混合物，其中所述料浆具有至少90重量％的固体负载；将该料浆注入模具中以形成网状生坯，该网状生坯具有微米尺寸的陶瓷元件和间隔的阵列；将所述生坯与所述模具分离；素烧所述生坯以将该粘结剂烧掉；烧结所述生坯以形成烧结陶瓷体；和将所述烧结陶瓷体包封在聚合物材料中以形成压电陶瓷-聚合物复合材料。

以下参照附图对本发明进一步的实施方案、特征和优点以及本发明的各种实施方案的结构和操作进行详细说明。

应理解以上概述和以下详述均只是例示性和解释性的，并且对要求保护的发明不具有限制性。

附图说明

引入本文中并且形成说明书的一部分的附图表示制造压电陶瓷体的浇注和切块法，和更具体地，用于换能器和传感器的压电陶瓷复合材料的制造方法。与说明书一起，附图进一步用于解释本文中所述的制造压电陶瓷体的浇注和切块法的原理，由此使本领域技术人员能够根据制造的浇注和切块法制造和使用压电陶瓷体。

图1表示了示出用于制造根据本发明的实施方案的烧结陶瓷体的例示步骤的流程图。

图2表示根据本发明的实施方案的料浆混合物的图。

图3A表示根据本发明实施方案的与模具分离的圆形生坯的图示。

图3B表示根据本发明实施方案的与模具分离的矩形生坯的图示。

图4表示根据本发明实施方案的多个微米尺寸的具有切槽(元件之间的间隔)的陶瓷元件阵列的图示。

图5表示了示出用于进一步对根据本发明实施方案的烧结陶瓷体进行加工的例示步骤的流程图。

图6表示根据本发明实施方案的在元件之间具有聚合物填料的陶瓷元件的列的图示。

图7表示根据本发明实施方案的传感器阵列的图示。

图8表示了示出用于制造根据本发明实施方案的网状烧结陶瓷体的例示步骤的流程图。

图9A表示在网状陶瓷体中具有均匀的圆形微米尺寸的陶瓷元件的阵列的图示。

图9B表示在网状陶瓷体中具有均匀的矩形微米尺寸的陶瓷元件的阵列的图示。

图9C表示在网状陶瓷体中具有各种尺寸的圆形微米尺寸的陶瓷元件的阵列的图示。

具体实施方式

现在参照附图对本发明的实施方案详细说明，其中同样的附图标记表示同样的要素。

本文中使用“料浆混合物”是指包含能够成型以形成成型料浆混合物的陶瓷粉末的组合物。本文中使用“生坯”是指由使该料浆混合物成型与固化得到的成型制品。本文中使用“切割的生坯”是指将生坯切割/切块以形成多个陶瓷元件的阵列的产物。本文中使用的“烧结陶瓷体”是指烧结生坯的产物。

在一个实施方案中，本发明涉及陶瓷体的制造方法，包括如下步骤：将陶瓷粉末、聚合物粘结剂和表面活性剂混合以形成料浆混合物；将该料浆浇注到模具中并且固化以形成陶瓷生坯；将该生坯从该模具分离；将该生坯切割(切块)以形成微米尺寸的陶瓷元件(柱)和该元件之间的微米尺寸的间隙/间隔的阵列；和烧结该切割的生坯以形成烧结陶瓷体。

例如，图1是表示用于制备烧结陶瓷体的例示步骤的流程图100的图示。在步骤102中，将陶瓷粉末、聚合物粘结剂、表面活性剂和任选的分散剂混合以形成料浆混合物。在另一实施方案中，形成料浆前可任选地将陶瓷粉末磨碎(用研磨介质研磨)以具有优选的特定颗粒尺寸和/或尺寸分布。

在步骤104中，将料浆混合物浇注到模具中并且在步骤106中在模具中固化以形成生坯。在步骤108中，将该生坯从该模具中分离(即脱模)以致在步骤110中能够将其切割或切块以形成微米尺寸的陶瓷元件的阵列，在该元件之间具有微米尺寸的间隔(切槽)。在步骤112中，将该切割的生坯加热(烧结)以将粘结剂烧掉并且使该生坯致密化以形成烧结陶瓷体。

在本发明的另一实施方案中，可将烧结陶瓷体进一步加工以通过将该烧结陶瓷体包封在聚合物材料中而形成压电复合材料。在另一实施方案中，可将压电复合材料加工以形成器件例如换能器或传感器。

图2是料浆混合物202的图200的图示。料浆混合物202包含陶瓷粉末204、聚合物粘结剂206、表面活性剂208和任选的分散剂210。

本发明中使用的陶瓷粉末可以是任何压电或电致伸缩陶瓷粉末。这样的材料在本领域中是公知的并且可商购。具体的实例包括但并不限于钛酸钡、钛酸铅、锆酸铅、锆钛酸铅(PZT)、钛酸铅铌(PNT)、钛酸铅钪铌和本领域技术人员已知的任何其它适合的压电或电致伸缩陶瓷粉末。本发明中使用的优选的材料是PZT。

可任选地将商购的陶瓷粉末进一步加工为所需的形式，例如具有限定的颗粒尺寸和/或尺寸分布的形式。控制颗粒尺寸和尺寸分布对于控制烧结陶瓷体的收缩是重要的。将陶瓷粉末研磨到所需的颗粒尺寸和尺寸分布改善了收缩控制以避免陶瓷体的开裂，而且通过在料浆混合物202中具有高固体负载而允许增加生坯的密度。增加生坯的密度提供改善的用于切块的机械强度并且导致固化和烧结过程中的收缩量的降低。

在优选的实施方案中，陶瓷粉末具有0.2μm-1.6μm的颗粒尺寸。在优选的实施方案中，将例示颗粒尺寸分布示于表1中：

表1：优选的颗粒尺寸分布

D10	0.2μm至0.5μm
		D50	0.7μm至9μm
D90	1.3μm至1.6μm

可将陶瓷粉末研磨或剪切为其所需的颗粒尺寸/尺寸分布，或者作为包含该陶瓷粉末和其它材料的混合物。例如，可用研磨介质研磨陶瓷粉末以产生所需的颗粒尺寸和/或尺寸分布。应防止陶瓷粉末的污染。防止污染的优选研磨介质是氧化锆或β-氧化锆。其它适合的研磨介质包括氧化铝、不锈钢或可将陶瓷粉末的污染限制在小于0.02％杂质的任何其它适合的研磨介质。在优选的实施方案中，用氧化锆研磨介质将陶瓷粉末204研磨5小时以得到优选的颗粒尺寸和优选的颗粒尺寸分布。

在料浆混合物202中陶瓷粉末的量可取决于料浆混合物、生坯和烧结陶瓷体的所需的最终性能而变化。增加料浆中的陶瓷粉末的量使烧结收缩减小并且可以增加得到的烧结陶瓷体的密度。较致密体具有较好的物理和机械性能，例如机械强度。但是，随着陶瓷粉末的体积和/或重量分数增加，对料浆混合物的可加工性产生不利影响。具体地，料浆变得更粉状并且不易浇注。

但是，本发明的料浆混合物包含高体积百分率(体积％)和/或重量百分率(重量％)的陶瓷粉末，从而产生致密陶瓷体，而不使用过量液体或溶剂以使该料浆可浇注。料浆混合物202中陶瓷粉末204的高固体负载使收缩减小并且使密度增加以致能够得到具有与模具基本相同的尺寸和形状的生坯(即，在固化步骤过程中收缩可忽略不计)。例如，料浆混合物202具有高固体负载以致料浆混合物202可包含约85-98wt.％陶瓷粉末。在优选的实施方案中，料浆包含约90wt.％陶瓷粉末。或者，料浆混合物202包含约98体积％陶瓷粉末。

本发明的料浆混合物202包含低wt.％的聚合物粘结剂。例如，该料浆可包含1-10wt％聚合物粘结剂。在优选的实施方案中，该料浆包含约9.8wt％聚合物粘结剂、表面活性剂和任选的分散剂。

本发明中使用的聚合物包括任何将陶瓷粉末粘结并且形成料浆混合物的聚合物，该料浆混合物具有低得足以可流动、可浇注或可注射的粘度。优选地，该聚合物在25℃下具有低于400cPs的粘度。术语“聚合物”包括与交联剂混合的聚合物前体、预聚物和未交联的聚合物。在一个实例中，该聚合物是热固性聚合物。聚合物的具体实例包括但并不限于聚酯、聚氨酯、硅橡胶和环氧聚合物。优选的聚合物是低粘度环氧聚合物树脂。不同于典型的粘结剂例如聚乙烯醇(PVA)和聚乙烯醇缩丁醛(PVB)，环氧聚合物树脂提供充分的机械强度以致可在没有破坏的情况下将生坯切割/切块。但是，环氧聚合物不容易烧掉。控制粘结剂烧掉过程中的温度对于将全部粘结剂除去而不引起生坯的变形和开裂至关重要。在本发明的一个实施方案中，将两到三天期间的缓慢素烧处理用于更容易地将环氧聚合物树脂除去。

本文中使用的术语“环氧聚合物”是指未固结的环氧前体、混合的环氧前体和成品、固结或交联的环氧聚合物。适用于本发明中的环氧聚合物的实例包括但并不限于双组分(part)环氧前体、三组分环氧前体或具有多于三组分的环氧前体。两组分环氧前体的一个实例包括但并不限于具有两个以上胺官能团的前体和具有两个以上环氧基官能团的另一部分。环氧树脂对于本领域普通技术人员是公知的。环氧聚合物的具体实例包括D.E.R.300和600系列环氧树脂(可由DowChemicals，Inc.购得)和由第一组分RBC-3200A环氧树脂和第二硬化剂组分RBC-3200A120(可由RBCIndustries，Inc.得到)或Epo-Tek301-2(可由EpoxyTechnology，Inc.得到)得到的聚合物。在优选的实施方案中，将两组分环氧树脂用作粘结剂206。由于环氧树脂的有限的贮存寿命，只在制备料浆混合物202前30分钟-2小时，在25℃-40℃的温度下将两组分混合5分钟。

优选地，使用的热固性聚合物，例如环氧聚合物的固化或固结时间长得足以在热固性聚合物硬化前允许进行料浆混合物的混合和浇注到模具中。例如，固化时间为约10分钟-约48小时，优选约1小时-约3小时。

对于本领域普通技术人员而言，陶瓷制造中使用表面活性剂和分散剂是公知的。将分散剂和表面活性剂和任选的其它添加剂用于控制料浆混合物的稳定性、润湿性、流动性、粘度和其它性质。能够使用任何与有机聚合物相容的表面活性剂。优选地，表面活性剂降低聚合物的表面张力并且能够使料浆混合物稳定和/或促进料浆混合物的形成和成型。在本发明中使用的表面活性剂的具体实例包括但并不限于DowCorning57表面活性剂、Fluorad^TMFC-4430表面活性剂、Fluorad^TMFC-4432表面活性剂、SurfonicPE-1198表面活性剂和KR-55表面活性剂。

任何能够促进陶瓷粉末分散到料浆混合物中和/或促进料浆混合物的形成和成型的分散剂都能够在本发明中使用。适合在本发明中使用的分散剂的具体实例包括但并不限于110分散剂和Dequest2010分散剂。

在形成时，本发明的料浆混合物202包含高体积％和/或重量％的陶瓷粉末，并且优选地，不包含过量的液体并且不包含溶剂。本发明的料浆混合物可浇注并且可流动，具有低得足以浇注料浆的粘度。料浆混合物202应具有2000cPs-3000cPs的粘度。由于料浆混合物包含极少乃至非过量的需要蒸发以使料浆硬化的溶剂或液体，因此本发明的料浆混合物在模具中固化时具有极小的收缩乃至基本上不具有收缩。

在步骤102中，通过将陶瓷粉末204、粘结剂206、表面活性剂208和任选的分散剂210结合并且使用本领域中普通技术人员已知的任何方法进行混合来制备料浆混合物202。例如，能够使用研磨混合机、振荡混合机、剪切混合机、动态剪切混合机将料浆混合物202进行混合。在混合过程中任选地将该混合物保持在真空下以将料浆混合物中任何捕集的气体除去。例如，可在真空下将该料浆混合物插入并且在动态剪切混合机中混合。将该混合物混合足以制备具有极少凝聚乃至无凝聚的充分混合的料浆混合物的时间，并且在该混合物固化和该聚合物粘结剂硬化前停止混合。优选地，在真空下在室温下以400rpm将该料浆混合物混合约5分钟-1小时的时间。

任选地，在一个实施方案中，在浇注到模具中前将料浆混合物脱气。在优选的实施方案中，在5x10^-1乇下在真空室中将料浆混合物脱气10分钟。

在步骤104中，将料浆混合物202浇注到模具中。能够将本领域中普通技术人员已知的任何方法用于将料浆转移到模具中例如料浆浇注和注射成型或任何其它适合形成陶瓷体的技术。

模具可具有任何适合的几何形状。模具可以是圆形、正方形或任何其它的适合压电复合材料用陶瓷体的几何形状。在优选的实施方案中，模具为圆形形状，其直径为约2″-约4″并且具有足够的深度以形成具有约2.5mm-3mm厚度的生坯。在另一实施方案中，模具可以是正方形以形成在宽度和长度上都具有0.25英寸-12英寸的尺寸的生坯。

在步骤106中，在模具中使料浆混合物202固化(固结)以形成生坯。在一个实施方案中，在固化/固结前可任选地将模具中的料浆脱气以形成生坯。将模具中的料浆202脱气以减少/避免生坯中的气孔(孔隙)。料浆和模具可在1.2x10^-1乇的真空室中30分钟-1小时的时间。在步骤108中，应在充分的温度下将料浆固化/固结充分的时间以致料浆形成坚固得足以从模具中分离但不会脆化的生坯300，如图3A和3B中所示。生坯300应具有足够的机械强度以被切割(切块)而不使生坯300断裂。在优选的实施方案中，通过在120℃的烘箱中固结约24小时，使该料浆在模具中固化。

在步骤110中，将生坯切割(或切块)以形成具有多个微米尺寸的陶瓷元件(柱)的阵列的切割的生坯，在所述元件之间具有微米尺寸的间隙/间隔。在一个实施方案中，在切块前可任选地将生坯研磨到均匀的厚度。可使用本领域普通技术人员已知的任何适合的切块方法将该生坯切割/切块。例如，可以使用常规的切块机以常规取向将该生坯切块。在一个实施方案中，通过具有切片锯的切块机将生坯300切块。

将生坯切块的一个优点在于，能够以常规的烧结陶瓷体的切块25倍-50倍的速率将生坯切块。例如，在典型的切块和填充法中能够以3μm/秒-5μm/秒的速率将烧结陶瓷体切块。与其相比，在本发明中，能够以150μm/秒-300μm/秒的速率将该生坯切块。这种更快的速率显著地降低了制造用于器件例如换能器或传感器的压电复合材料用陶瓷体的时间和成本。例如，根据本发明制备的换能器或传感器花费约2.2分每陶瓷元件/柱来制备，而对于传统的切块法，花费25分每陶瓷柱。此外，将生坯进行切块不那么破坏切块机的刀片并且使刀片的使用寿命延长。

如图4中所示，将生坯切割(切块)以形成切割的生坯400，其具有包含由基底406支撑的被切槽(柱与柱的间隔)404分开的多个陶瓷元件(柱)402的阵列。在一个实施方案中，陶瓷元件402的尺寸可为150μm-325μm的高度、35μm-65μm的宽度，而切槽402小于25μm。在优选的实施方案中，陶瓷元件402具有250μm的高度、60μm的宽度和20μm的切槽404。

在步骤112中，将切块生坯400烧结以形成烧结陶瓷体。在烧结步骤过程中，重要的是控制收缩和翘曲，以致能够进一步高效和有效地加工烧结陶瓷体。例如，在烧结过程中存在的空间温度梯度能够引起不均匀的收缩以致切槽尺寸跨整个陶瓷体变动。此外，可发生翘曲例如烧结过程中切割的生坯400的端部卷曲以致其基底406不再是平坦表面。控制加热和冷却阶段过程中的温度分布对于控制收缩和翘曲是重要的。而且，在料浆混合物中具有高固体负载有助于控制收缩。

在一个实施方案中，切块的生坯400经历独立的素烧处理以在烧结前除去(烧掉)聚合物粘结剂。在窑炉内将切块的生坯400在充分的温度下加热充分的时间以烧掉聚合物粘结剂。控制素烧处理过程中的温度对于在防止生坯开裂的同时将生坯中的全部聚合物烧掉是重要的。举例来说，将切块的生坯加热到300℃-750℃的温度。在冷却前，切块的生坯400在64小时期间经历缓慢的素烧处理直至最大温度750℃。在冷却前，切块的生坯400在750℃均热(保持)2小时。缓慢的素烧允许在不使切块陶瓷体变形/畸变的情况下将粘结剂除去。

在步骤112中，进一步将陶瓷体加热(烧结)以形成致密烧结陶瓷体。在一个实施方案中，将粘结剂去除体在充分的温度下烧结充分的时间以使该体致密化为理论密度的97-99％。将该体在约750℃-1100℃的温度下加热。在优选的实施方案中，将该陶瓷体加热48小时直至最大温度1060℃并且在该最大温度均热(保持)1.5小时。

在另一实施方案中，在烧结步骤112的过程中，在具有相同膨胀系数的支撑板上提升该陶瓷体以控制收缩并且放置在窑炉中以在该陶瓷体之上和之下实现更均匀的温度梯度。提升陶瓷体允许空气在该陶瓷体的之上和之下流动。例如，可将该陶瓷体放置在PZT板上，然后放入窑炉中以经历烧结步骤112。在另一实施方案中，可将该陶瓷体和PZT支撑板放入铝坩埚中并且放入窑炉中。该铝坩埚可任选地也含有PZT粉末。将PZT粉末用于控制铅损失，这对于在整个陶瓷体实现恒定的陶瓷材料性能是极为重要的。通过将该陶瓷体放入平衡铅气氛中使铅损失得以减小/避免。

可在多个任选步骤中进一步加工得到的烧结陶瓷体。图5是表示用于进一步加工该烧结陶瓷体以由其制造压电复合材料及其器件的例示步骤的流程图500的图示。在一个实施方案中，可将该烧结陶瓷体封入/包封到聚合物中以形成复合材料，如步骤502中所示。如图6中所示，用聚合物填料608填充切槽604(柱与柱的间隔)以抑制任何剪切波并且使复合材料600具有改进的机械特性。为了使成品器件的灵敏度最优化，应使用提供高的声衰减和电隔离的聚合物填料，或本领域技术人员已知的任何其它适合的聚合物填料。

在另一实施方案中，能够进一步对压电复合材料600进行加工。在步骤504中，将压电复合材料600机加工以使该复合材料中的烧结陶瓷体的至少一个表面暴露。在步骤506中，对该复合材料形成接触以向烧结陶瓷柱提供电连接性。在步骤508中，将该烧结陶瓷用电部件编址(address)以形成器件。可将微米尺寸的陶瓷元件金属化并且编址以形成器件，例如声换能器或传感器，其用于获得生物统计数据和其它类型的信息，例如医疗信息。然后通过在适当的温度下施加适当的电压持续适当的时间使该器件极化。由于使用的陶瓷材料的种类和加工中的压电复合材料的厚度，参数值变动。

图7表示根据本发明的实施方案制造的器件700。器件700是包括陶瓷柱602的两维阵列的多层结构。将导体706和708与陶瓷柱602的每一个连接。使连接于各陶瓷柱602的一端的导体706相对于连接于柱602的另一端的导体708垂直地取向。可将屏蔽层702添加到器件700的一侧以提供保护涂层，其中能够将指状物(finger)邻接器件700放置。可将支撑体704粘附到器件700的相反侧。

在替代性的实施方案中，可将料浆混合物202注入精密模具中以形成具有包括多个微米尺寸的陶瓷元件和间隔的阵列的网状(net-shaped)生坯以取消将生坯切块的需要。图8是表示用于制备网状生坯的例示步骤的流程图800的图示。本文中使用“网状”意指本发明的生坯在模具中固化时具有高品质、微米尺寸的陶瓷元件，并且不需要附加的机加工或加工以实现高品质微米尺寸的陶瓷元件。由于本发明的料浆混合物在固化时基本上不具有畸变，因此能够将该料浆混合物202成型为网状生坯。本文中使用术语“基本上不具有畸变”意指成型的料浆混合物的平坦表面在固化/固结时保持平坦以形成生坯，并且生坯的表面平滑且基本上无大于约陶瓷粉末的晶粒尺寸的缺陷。缺陷包括但并不限于孔、气泡、开裂等。因此，能够将该料浆混合物成型为具有高品质微米尺寸的陶瓷元件的网状生坯，并且该生坯能够具有总的大尺寸。

此外，该网状生坯能够在宽的几何范围内制造。例如，网状生坯的微米尺寸的陶瓷元件可为尺寸均一或尺寸变动的，并且可为形状均一或形状变动的。举例来说，网状生坯的微米尺寸的陶瓷元件的形状可为圆形、正方形和矩形。网状生坯也可包括一个或多个尺寸大小的微米尺寸的陶瓷元件。图9A、9B和9C表示能够根据本发明的实施方案制备的微米尺寸的陶瓷元件几何形状和排列的一些实例。

在步骤804中，将料浆混合物202注入模具中并且在步骤806中固化以形成网状生坯，该网状生坯具有包含多个微米尺寸的陶瓷元件和间隔的阵列。能够使用本领域普通技术人员已知的用于将料浆混合物注入或转移到模具中的任何方法将料浆混合物202注入模具中。举例来说，能够使用压力将料浆混合物202注入模具中。在步骤804中使用的压力包括能够将该料浆混合物注入模具中的任何压力。在一个实施方案中，使用约20℃-40℃的温度下约5p.s.i.-100p.s.i.的压力。在优选的实施方案中，在60p.s.i.-70p.s.i.的压力下将料浆202注入模具中。

用于将该料浆混合物成型和固化以形成网状生坯的模具可以是任何能够形成微米尺寸的结构元件和无损伤地将其脱模的模具。用作模具的材料的实例包括但并不限于塑料和橡胶。材料的具体实例包括但并不限于低硬度(小于约40A的硬度)热固性聚氨酯和有机硅。在优选的实施方案中，该模具由RoomTemperatureVulcanization(RTV)有机硅制成。

在步骤806中，在模具中在足够的温度下将该料浆混合物202固化足够的时间以形成具有包含多个微米尺寸的陶瓷元件和间隔的阵列的网状生坯，其能够使生坯从模具分离而没有对微米尺寸的陶瓷元件产生损伤。能够将本领域普通技术人员已知的任何方法用于使料浆混合物固化。在优选的实施方案中，在室温下在模具中将料浆混合物202固化/固结18小时-36小时的时期。

在步骤808中，将网状生坯与模具分离。能够将本领域普通技术人员已知的任何分离方法用于将网状生坯与模具分离。方法的实例包括但并不限于将模具剥离或提升以与生坯分离。优选地，进行分离以致在分离过程中使少量或没有微米尺寸的陶瓷元件受到损伤。任选地，能够将脱模剂或脱模试剂用于辅助将网状生坯与模具无损伤地分离。在将料浆混合物202注入模具中前，能够直接将脱模剂或脱模试剂施涂于模具。

在将网状生坯与模具分离后，其可经历相似的素烧处理以在烧结前除去(烧掉)聚合物粘结剂，如上所述。在步骤812中，能够相似地将网状生坯烧结以形成致密烧结的网状陶瓷体。

能够将得到的烧结网状陶瓷体如图5中所示且如上所述那样进一步加工以由其制造压电复合材料及其器件。

尽管以上已对本发明的各实施方案进行了说明，但应理解只通过举例方式并非限制方式进行表示。对本领域技术人员可知，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，能够进行本文中形式和细节的各种变化。因此，本发明的宽度和范围不应受到任何上述例示实施方案的限制，但应只根据下述权利要求和它们的等同物限定。通过引用将本文中讨论的全部专利和出版物全文并入本文。

Claims

1.压电陶瓷体的制造方法，包括：

将陶瓷粉末、聚合物粘结剂和表面活性剂混合以形成料浆混合物，该料浆混合物具有以重量计为料浆混合物的至少90％的固体负载；

将所述料浆混合物浇注到模具中，所述模具是圆形的，且具有足够的深度以形成具有2.5-3mm厚度的生坯；

在所述模具中使该料浆混合物固化以形成生坯；

将所述生坯从所述模具分离；

切割所述生坯以形成切割的生坯，该切割的生坯具有包含多个微米尺寸的陶瓷元件和间隔的阵列；和

将所述切割的生坯烧结以形成致密化的烧结陶瓷体。

2.权利要求1的方法，其中所述陶瓷粉末占该料浆混合物的至少90重量％。

3.权利要求1的方法，其中所述陶瓷粉末占该料浆混合物的至少95体积％。

4.权利要求1的方法，还包括研磨所述陶瓷粉末，其中使得所述陶瓷粉末在所述研磨后具有0.2μm-1.6μm的颗粒尺寸范围。

5.权利要求1的方法，其中所述陶瓷粉末是压电或电致伸缩陶瓷粉末。

6.权利要求5的方法，其中所述压电陶瓷粉末选自锆钛酸铅(PZT)、钛酸铅铌(PNT)、钛酸铅钪铌(PSNT)、PMN、钛酸铅和钛酸钡。

7.权利要求1的方法，其中所述聚合物粘结剂是环氧聚合物。

8.权利要求7的方法，其中所述环氧聚合物是双组分环氧树脂。

9.权利要求1的方法，其中所述料浆还包含分散剂。

10.权利要求1的方法，其中所述固化步骤包括以100℃-140℃的温度在所述模具中将所述料浆混合物固结足够的时间以形成所述生坯。

11.权利要求1的方法，其中所述切割步骤包括用切块机将所述生坯切块。

12.权利要求1的方法，其中所述微米尺寸的陶瓷元件具有如下尺寸：150μm-325μm的高度、35μm-65μm的宽度和25μm-50μm的元件与元件的间隔。

13.权利要求1的方法，其中还包括素烧处理以从所述切割的生坯中除去所述聚合物粘结剂，其中将所述切割的生坯加热到足够的温度持续足够的时间以将所述粘结剂烧掉。

14.权利要求13的方法，其中所述素烧处理还包括将所述切割的生坯加热到60℃-750℃之间的温度。

15.权利要求1的方法，其中所述烧结步骤还包括将所述生坯加热到1000℃-1100℃之间的温度持续1小时-2小时的时间。

16.权利要求1的方法，其中所述烧结步骤还包括将所述生坯加热到足够的温度持续足够时间以使所述烧结陶瓷体致密化为理论密度的至少95％。

17.权利要求1的方法，还包括将所述烧结陶瓷体包封在聚合物材料中以将所述间隔填充并且形成陶瓷-聚合物复合材料的步骤。

18.制造用于器件的压电陶瓷复合材料的方法，包括：

将压电陶瓷粉末、有机粘结剂和表面活性剂混合以形成料浆，其中所述料浆具有至少90重量％的固体负载；

将所述料浆浇注到模具中以形成生坯，所述模具是圆形的，且具有足够的深度以形成具有2.5-3mm厚度的生坯；

将所述生坯与所述模具分离；

切割所述生坯以形成切割的生坯，该切割的生坯具有微米尺寸的陶瓷元件和间隔的阵列；

素烧所述切割的生坯以将所述有机粘结剂烧掉；

烧结所述切割的生坯以形成烧结陶瓷体；和其中

将所述烧结陶瓷体包封在聚合物材料中以形成陶瓷-聚合物复合材料。

19.权利要求18的方法，还包括研磨所述陶瓷粉末，其中使得所述陶瓷粉末在所述研磨后具有0.2μm-1.6μm的颗粒尺寸范围。

20.权利要求19的方法，其中所述压电陶瓷粉末选自锆钛酸铅(PZT)、钛酸铅铌(PNT)、钛酸铅钪铌(PSNT)、PMN、钛酸铅和钛酸钡。

21.权利要求18的方法，其中所述聚合物粘结剂是双组分环氧树脂。

22.权利要求18的方法，其中所述料浆还包含分散剂。

23.权利要求18的方法，其中所述形成生坯的步骤包括在110℃-130℃的温度下在所述模具中将所述料浆混合物固结12-24小时的时间以形成所述生坯。

24.权利要求1的方法，其中所述微米尺寸的陶瓷元件具有如下尺寸：200μm-300μm的高度、50μm-65μm的宽度和20μm-35μm的元件与元件的间隔。

25.权利要求18的方法，其中所述素烧步骤还包括将所述切割的生坯加热到130℃-750℃之间的温度持续60小时-68小时的时间。

26.权利要求18的方法，其中所述烧结步骤还包括将所述生坯加热到1000℃-1100℃之间的温度持续1小时-2小时的时间。

27.权利要求18的方法，其中所述烧结步骤还包括将所述生坯加热到足够的温度持续足够的时间以使所述烧结陶瓷体致密化为理论密度的97％-99％。

28.权利要求18的方法，还包括对所述复合材料进行机加工的步骤以使所述烧结陶瓷体的至少一个表面暴露。

29.权利要求28的方法，还包括形成与所述复合材料的接触以提供与该烧结陶瓷体的电连接性的步骤。

30.权利要求29的方法，还包括用电气部件对该烧结陶瓷体编址以形成器件的步骤。