CN102701740A - 一种利用激光在玻璃基体表面制备铌酸钾钠功能陶瓷薄膜的方法 - Google Patents

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Abstract

一种利用激光在玻璃基体表面制备铌酸钾钠功能陶瓷薄膜的方法，属于电子功能陶瓷制备领域。选取原料，按Na0.5K0.5NbO3化学计量比称取、混合、球磨，采用传统的熔盐法在800℃下预烧两小时制备所需功能陶瓷粉末；然后把陶瓷粉末与PVA混合均匀平铺在玻璃基体表面，利用所选取激光器的控制软件绘制所需制备的功能陶瓷薄膜的形状和尺寸，选取脉冲激光以合适的工艺参数直接烧结玻璃基体上的粉体得到所需陶瓷薄膜。本发明首先提出并在玻璃基体上直接制备出铌酸钾钠压电陶瓷薄膜，并且操作简单、快捷、可控性强。

Description

一种利用激光在玻璃基体表面制备铌酸钾钠功能陶瓷薄膜的方法
技术领域
本发明涉及一种功能陶瓷制备方法，特别涉及铌酸钾钠无铅压电陶瓷薄膜制备方法，属于电子功能陶瓷制备领域。
背景技术
压电陶瓷具有将机械能与电能相互转换的特性，除具有压电性外，还具有稳定和优异的物理化学特性，已广泛用于如拾音器、传声器、耳机、蜂鸣器、超声波探深仪、声纳、材料的超声波探伤仪等声音转换器、压电引爆器、压电打火机、防核护目镜、超声马达等日常生活、工业生产以及军事领域。压电铁电陶瓷材料与器件在国际电子材料和元器件行业中一直占有极其重要的位置，随着现代电子信息技术的飞速发展，对于压电陶瓷材料的开发和探索已成为各国研究的热点。
迄今为止，绝大多数的压电、热释电及铁电材料仍是含铅的以Pb（Zr1-xTix）O3为代表的铅基压电铁电陶瓷（如锆钛酸铅、锆钛酸铅镧、铌镁锆钛酸铅等），其中PbO（或Pb3O4）的含量占原料总量的70%，在生产、使用及废弃后处理过程会给人类和生态环境造成严重损害。近年来，随着人们生态环保意识的提高和国际社会可持续发展战略的实施，研究和开发无铅压电铁电陶瓷势在必行，目前，无铅压电陶瓷的研究主要集中在钛酸铋拿基和碱金属铌酸盐系无铅压电陶瓷上，其中铌酸钾钠Na0.5K0.5NbO3被认为是一种良好的无铅压电陶瓷材料，它有较高的压电性和铁电性，被视作替代PZT基压电陶瓷的主要选择对象之一。
随着现在电子器件的小型化发展以及微电子机械（MEMS）对新型电子器件的需求，极大的促进和实现电子器件概念上的突破，推动材料研究从块体材料研究转向薄膜材料研究。只要能达到性能指标，可以以薄膜替代单晶或多晶材料，而且薄膜易于满足微型器件对几何尺寸的要求，且成本也会低于块体材料，所以各种薄膜材料发展十分迅速，同时，也涌现出了一些压电薄膜的制备方法，主要有：溅射法、溶胶-凝胶法、金属有机物热分解法、脉冲激光沉积法等。
目前压电陶瓷薄膜的基体一般是Si片，因为玻璃的易脆性，比硅片更不能耐高温，目前为止还未看到在玻璃表面制备压电陶瓷薄膜的报道。本发明目的在于在玻璃基体上直接制备铌酸钾钠压电陶瓷薄膜。同时传统的方法制备需要较复杂的工序和较难获得的高真空的制备条件，并且传统方法制备薄膜时的尺寸形状等参数不能控制。本发明能方便快捷精确的在玻璃基体上制备压电陶瓷薄膜。
发明内容
本发明的目的在于利用激光在玻璃基体表面制备铌酸钾钠（Na0.5K0.5NbO3；KNN）压电陶瓷薄膜。除了选取玻璃基体为，克服现有制备工艺中工序繁琐、制备时间长、制备条件苛刻、薄膜形状尺寸等可控性差的限制，提供了一种方便快捷精确地制备压电陶瓷薄膜的方法。
本发明目的通过如下措施来达到的，其具体工艺流程包括：
1）按Na0.5K0.5NbO3中Na、K、Nb为0.5：0.5：1的摩尔化学计量比称取原料，把原料与无水乙醇倒入球磨罐中球磨，将所得的浆料烘干得到的混合粉体过筛后再压制成块体；
2）将步骤1）所得的块体按传统熔盐法在800℃下预烧两小时，所得的铌酸钾钠块体原料经过再次球磨、烘干、过筛得到铌酸钾钠粉体，将铌酸钾钠粉体加入PVA后均匀平铺在玻璃基体表面；
3）在激光器控制软件中绘制所需制备的薄膜形状，选取激光以扫描频率80KHz、脉宽10ns、调至焦点位置后直接扫描玻璃基体上的粉体，室温冷却后得到所需功能陶瓷薄膜。
步骤1）中，所述的原料可以是Na2CO3、K2CO3、Nb2O5或者NaNO3、KNO3、Nb2O5。原料与同无水乙醇的体积比优选为1：1。
步骤2）中PVA的加入量优选使PVA的质量含量为6%。
步骤3）所述的激光器，可以是光纤激光器、Nd:YAG固体激光器、二氧化碳激光器，所使用的激光为连续激光或脉冲激光，激光器的功率和扫描速度至少达到玻璃基体上粉体的烧结功率，例如20W光纤激光、扫描速度以约300mm/s；50W二氧化碳激光器，约120mm/s的扫描速度。
所述的玻璃基体可以是普通透明玻璃、K9玻璃、石英玻璃、超白玻璃等。
所述的形状可以是各种尺寸的点、线、面等单一或组合的几何图形。
与现有技术相比：
①本发明在玻璃基体上制备了铌酸钾钠压电陶瓷薄膜。克服了比在硅片表面更难加工的玻璃表面上直接烧结制备了压电陶瓷薄膜。
②同传统的镀膜工艺方法相比制备的操作简单、不需要真空环境、制备时间短、薄膜厚度形状尺寸可控性高，可重复性高。
附图说明
图1为该发明的加工装置示意图；图中：1计算机、2控制线、3激光器、4激光束、5反射镜、6聚焦镜、7压电陶瓷粉层、8玻璃基体；
图2为按本发明制备的玻璃基体上铌酸钾钠薄膜的XRD图谱；
图3为按本发明制备的玻璃基体上铌酸钾钠薄膜的扫描电镜形貌图。
具体实施方式
首先有必要在此指出的是本实施例只用于对本发明进行进一步说明，不能理解为对本发明保护范围的限制。按照图1所示的加工装置示意图，将计算机1通过控制线2与激光器3连接，激光器发出的激光束4依次通过反射镜5、聚焦镜6，直接扫描到位于玻璃基体8上铌酸钾钠薄膜粉体7，从而得到所需的功能薄膜。
实例1
按Na0.5K0.5NbO3中Na、K、Nb为0.5：0.5：1的摩尔化学计量比称取Na2CO3、K2CO3、Nb2O5原料，按1：1体积比同无水乙醇倒入球磨罐中球磨8小时。将所得的浆料烘干得到的混合粉体过筛后在压制成块体。将所得的混合物在800℃下预烧两小时，所得的铌酸钾钠块体原料经过再次球磨、烘干、过筛得到铌酸钾钠粉体。将铌酸钾钠粉体加入6%质量比的PVA混合后均匀平铺在普通透明玻璃基体表面。在激光器控制软件中绘制5mm*5mm的矩形图形。选取20W光纤脉冲激光器，以约300mm/s的速度、扫描频率80KHz、脉宽10ns、调整好焦点位置直接扫描玻璃基体上的粉体。室温冷却后得到所需功能陶瓷薄膜。
实例2
按Na0.5K0.5NbO3中Na、K、Nb为0.5：0.5：1的摩尔化学计量比称取NaNO3、KNO3、Nb2O5原料，按1：1体积比同无水乙醇倒入球磨罐中球磨8小时。将所得的浆料烘干得到的混合粉体过筛后在压制成块体。将所得的混合物在800℃下预烧两小时，所得的铌酸钾钠块体原料经过再次球磨、烘干、过筛得到铌酸钾钠粉体。将铌酸钾钠粉体加入6%质量比的PVA混合后均匀平铺在K9玻璃基体表面。在激光器控制软件中绘制φ5mm的圆形图形。选取20W光纤脉冲激光器，以约300mm/s的速度、调整好焦点位置直接扫描玻璃基体上的粉体。室温冷却后得到所需功能陶瓷薄膜。
实例3
按Na0.5K0.5NbO3中Na、K、Nb为0.5：0.5：1的摩尔化学计量比称取Na2CO3、K2CO3、Nb2O5原料，按1：1体积比同无水乙醇倒入球磨罐中球磨8小时。将所得的浆料烘干得到的混合粉体过筛后在压制成块体。将所得的混合物在800℃下预烧两小时，所得的铌酸钾钠块体原料经过再次球磨、烘干、过筛得到铌酸钾钠粉体。将铌酸钾钠粉体加入6%质量比的PVA混合后均匀平铺在石英玻璃基体表面。在激光器控制软件中绘制10*2mm的线型图形。选取50W二氧化碳激光器，以约120mm/s的速度、扫描频率80KHz、脉宽10ns、调整好焦点位置直接扫描玻璃基体上的粉体。室温冷却后得到所需功能陶瓷薄膜。
图2为按本发明实施例制备的玻璃基体上铌酸钾钠薄膜的XRD图谱；横坐标为衍射角度；纵坐标为衍射峰强度；从图中可以看出，本发明制备的铌酸钾钠薄膜为典型的钙钛矿结构，未含其他杂相成分。
图3为按本发明实施例制备的玻璃基体上铌酸钾钠薄膜的扫描电镜形貌图。从图中可见，薄膜表面致密，薄膜的晶粒大小均匀。

Claims (8)

1.一种利用激光在玻璃基体表面制备铌酸钾钠功能陶瓷薄膜的方法，其特征在于，包括以下步骤：
1）按Na0.5K0.5NbO3中Na、K、Nb为0.5：0.5：1的摩尔化学计量比称取原料，把原料与无水乙醇倒入球磨罐中球磨，将所得的浆料烘干得到的混合粉体过筛后再压制成块体；
2）将步骤1）所得的块体按传统熔盐法在800℃下预烧两小时，所得的铌酸钾钠块体原料经过再次球磨、烘干、过筛得到铌酸钾钠粉体，将铌酸钾钠粉体加入PVA后均匀平铺在玻璃基体表面；
3）在激光器控制软件中绘制所需制备的薄膜形状，选取激光以扫描频率80KHz、脉宽10ns、调至焦点位置后直接扫描玻璃基体上的粉体，室温冷却后得到所需功能陶瓷薄膜。
2.按照权利要求1的方法，其特征在于，步骤1）中，所述的原料可以是Na2CO3、K2CO3、Nb2O5或者NaNO3、KNO3、Nb2O5。
3.按照权利要求1的方法，其特征在于，步骤1）中，原料与同无水乙醇的体积比为1：1。
4.按照权利要求1的方法，其特征在于，步骤2）中PVA的加入量优选使PVA的质量含量为6%。
5.按照权利要求1的方法，其特征在于，步骤3）所述的激光器，是光纤激光器、Nd:YAG固体激光器或二氧化碳激光器。
6.按照权利要求1的方法，其特征在于，步骤3）所使用的激光为连续激光或脉冲激光，激光器的功率和扫描速度至少达到玻璃基体上粉体的烧结功率。
7.按照权利要求1的方法，其特征在于，所述的玻璃基体是普通透明玻璃、K9 玻璃、石英玻璃或超白玻璃。
8.按照权利要求1的方法，其特征在于，所述的形状是各种尺寸的点、线、面中的一种或几种。 
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