具有高度织构化无铅压电厚膜的制备及其应用研究

压电厚膜较块体材料薄，因而在应用中获得同样电场所需的驱动电压大大降低；且相比于薄膜材料，厚膜有更低的表面应力，使得压电性能和抗老化能力得到保证。高度织构化压电厚膜对器件性能的改善非常重要，织构程度越高，其压电性能越好。厚膜不同于薄膜可以通过选取不同的衬底来获得高度取向的材料。目前，制备高度织构化的厚膜材料还存在一定的困难。本研究正是基于这一不足，提出将环境友好的无铅系压电厚膜制备在氧化铝等衬底上，通过模板优化及制备工艺的选取来获得高度织构化的无铅压电厚膜材料，以达到提高其压电性能的目的。研究内容主要包括：确定非铅系压电材料Ba(Zr,Ti)O3基和(K,Na)NbO3基厚膜的组成与压电性能的关系；确定模板形状、大小、含量、工艺与厚膜材料织构度的关系，尤其是具有高度织构特征厚膜材料的组成、厚度、致密度等与压电性能关系；优化这类厚膜材料的织构度和压电性能，使其在微机电和电子信息领域中得到应用。

压电厚膜材料是在与体材料相比，其工作电压低、使用频率高、易于小型化、集成化，符合现代电子技术的发展趋势。本研究通过拓扑反应，采用熔盐法分别制备了Bi4Ti3O12，BaTiO3及NaNbO3片状粉体。.以制备的BaTiO3(BT)片状粉体为模板，采用流延法制备了BT厚膜，通过工艺优化得到织构度为76%的厚膜，其晶粒生长饱满、气孔少，具有致密的显微结构。通过工艺优化获得其压电系数为155pm/V。以BaTiO3为模板，采用丝网印刷法，在铂金衬底上制备了 (Ba0.85Ca0.15)(Zr0.10Ti0.90)O3 (BCZT)无铅压电厚膜。其织构度高达81%。择优取向的BCZT厚膜同随机取向的厚膜相比，其性能有较大的改善，压电系数为d33*=427pm/V。.以NaNbO3(NN)片状粉体为模板制备了K0.5Na0.5NbO3(KNN)织构厚膜。研究了流延法制备KNN织构厚膜的模板含量及烧结温度对厚膜织构度和显微结构的影响，随着烧结温度的提高，厚膜的织构度增加。为了改善KNN厚膜的结构及性能，分别使用Mn、Li及LiSbO3进行了掺杂改性。Mn的掺杂量为2%时得到了较好的压电性能，其d33提高到了124pm/V；Li掺杂量为6%时，厚膜的d33提高到了156pm/V；LiSbO3的掺杂量为6%时，其织构度为82%，d33达到了173pm/V。.采用流延法制备了(1-x)(0.94Na0.5Bi0.5TiO3-0.06BaTiO3)-xK0.5Na0.5NbO3 ((1-x)(NBT-BT)-xKNN)织构厚膜，优化了其制备的工艺条件，得到了织构度为75%的厚膜。当KNN含量为2%时，其d33*=394pm/V。.分别对KNN及BT织构化的晶粒生长过程进行了研究。BT的织构化过程主要分为三个阶段：首先是基料晶粒吸附在模板的缺陷上进行离子交换，模板逐渐吸收基料晶粒进行生长；第二阶段，模板生长到足以互相接触，出现了模板的交错、融合；最后，基料晶粒彻底被吸收，模板互相融合。KNN织构化过程中，模板和基料晶粒生长分别是由体积扩散和晶粒之间的曲率差驱动的。基料晶粒首先吸附在模板表面的缺陷上以降低表面能，基料的生长由曲率半径的差异驱动，在模板与基料之间形成了阶梯并沿着模板方向的阶梯逐渐加厚，基料逐渐变少，最后形成砖状排列的形貌。