Bi2O3摻雜Ba0.85Ca0.15(Zr0.1Ti0.88Mn0.02)O3壓電陶瓷及微型氣泵的制備與性能研究

張元松,秦 潔,張珍宣,賴 煒,吳小慧,王蘭花,吳朝怡

(貴州振華紅云電子有限公司,貴州 貴陽 550018)

0 引言

壓電陶瓷被廣泛應用于電聲器件、超聲傳感器、聲表面波濾波器等器件中。較典型的應用是二元系PZT壓電陶瓷,而隨著壓電陶瓷應用的發展,逐漸出現了三元系、四元系及五元系等壓電陶瓷材料[1-3]。但在PZT壓電陶瓷制備過程中,鉛的揮發會造成環境污染且危害人類健康,因此,無鉛系列壓電陶瓷成為研究的焦點。無鉛壓電陶瓷中鈣鈦礦型結構是主要的研究和應用熱點,其體系有鋯鈦酸鋇(BZT)壓電陶瓷、鈮酸鉀鈉(KNN)壓電陶瓷、鋯鈦酸鋇鈣(BCZT)壓電陶瓷等[4-7],主要應用于電聲、傳感等領域,使用面相對較窄,尤其在電子美容香薰、醫療液體傳輸等領域上的應用鮮有報道。上述兩個領域的主要核心部件是微型氣泵,鑒于使用領域的特殊性,含鉛的壓電陶瓷雖然性能優異,但難以在上述領域廣泛應用。

超聲領域一般要求壓電材料體系的介電損耗(tanδ≤0.8%)越小越好,但鋯鈦酸鋇鈣(BCZT)體系的介電損耗tanδ≥1.0%,應用受限。本文在鋯鈦酸鋇鈣(BCZT)體系中摻雜Mn4+,形成BCZTM體系,降低了鋯鈦酸鋇鈣(BCZT)體系的介電損耗,再摻入Bi2O3,并研究其對BCZTM體系性能的影響,優選性能最佳的配方,制備成壓電芯片并組裝在微型壓電氣泵上,與日本村田的MZB1001T02微型泵(含鉛壓電芯片裝配)進行性能對比,由此探討無鉛壓電芯片裝配的微型氣泵替代含鉛壓電芯片裝配的微型氣泵的可能性。

1 實驗

1.1 試樣制備

實驗組分為Ba0.85Ca0.15(Zr0.1Ti0.88Mn0.02)O3+xBi2O3,其中質量分數x分別為0.02%、0.03%、0.04%、0.05%、0.06%。采用固相燒結法制備樣品。選用碳酸鋇(BaCO3,≥99.0%,AR)、氧化鈣(CaO,≥99.0%,AR)、三氧化二鉍(Bi2O3,≥99.99%,AR)、氧化錳(MnO2,≥99.9%,AR)、二氧化鋯(ZrO2,≥99.0%,AR)、二氧化鈦(TiO2,≥99.0%,AR)粉體作為原材料,按照化學計量比計算組分,并在室溫條件下稱料。將稱量的組分倒入球磨罐中,加入一定配比的球磨介質(氧化鋯球)和去離子水,并安裝在球磨機上進行行星式球磨,球磨時間4 h后,出料干燥過篩,瓷料放置坩堝中,在1 100 ℃下預燒4 h。預燒后進行二次行星式球磨,球磨時間4 h后干燥,加入質量分數18%的聚乙烯醇造粒,在軋膜機上軋成厚度0.15 mm的膜帶,之后沖成?12.3 mm×0.15 mm的生坯。生坯在1 360 ℃下燒結6 h。燒結后的樣品用?9.6 mm的尼龍網印銀、750 ℃烘銀,并置于50 ℃硅油內,按3.5 kV/mm極化20 min,靜置24 h后進行介電和壓電性能測試。通過SEM、XRD等手段分析樣品的微觀結構。通過介電溫譜測試性能最優樣品的居里溫度。

1.2 試樣表征

(1)

(2)

式中C為靜電電容,單位為pF。

選擇性能最優的芯片裝配在微型氣泵上,在ZX80A阻抗分析儀上測試其頻率和阻抗。將自制電路板接入直流電源并輸入電壓(0～15 V),電路板將直流信號轉換為方波信號,同時輸入頻率(25±2) kHz至微型氣泵中,再將氣泵出口處接入YE100膜盒壓力表測試氣壓。

2 實驗結果與討論

2.1 樣品的微觀結構

圖1為樣品的XRD衍射圖譜。由圖可見,不同量的Bi2O3摻雜在Ba0.85Ca0.15(Zr0.1Ti0.88Mn0.02)O3組分中,樣品均呈單一的鈣鈦礦結構。隨著Bi2O3摻雜量增加,在衍射角2θ=44°～47°附近,(200)峰處出現(002)和(200)的劈峰,這說明樣品從四方相開始向三方相轉換,樣品具有三方-四方相共存的特性。這種兩相共存的特性在Bi2O3摻雜量(質量分數)為0.05%、0.06%尤為明顯,但因摻雜導致了衍射強度較弱[8]。

圖1 樣品的XRD衍射圖譜

圖2為不同摻雜量Bi2O3樣品的顯微結構。由圖可見,隨著Bi2O3摻雜量的逐漸增加,晶粒有逐漸長大的趨勢。這是因為Bi2O3的熔點低,在高溫燒結過程中,Bi2O3熔解后會不斷潤濕晶界,促進晶粒均勻生長。但并非Bi2O3摻雜越多越好,圖2(e)中樣品顯微結構的晶界變得圓滑,說明在相同溫度下,該樣品燒結溫度偏高,晶界呈現熔解現象,這也說明在相同溫度下,摻雜量Bi2O3是有限的。

圖2 樣品的SEM組織結構

2.2 樣品的壓電性能

圖3為樣品的介電和壓電性能。

圖3 樣品的介電和壓電性能

對Bi2O3摻雜量為0.05%的樣品進行介電溫譜分析,所測得數據繪制的曲線如圖4所示。由圖可見,隨著溫度的增加,樣品的介電常數逐漸增加,當溫度超過80 ℃后,介電常數開始下降。這說明了80 ℃是樣品的四方鐵電相-立方順電相的轉變溫度,即樣品的居里溫度(Tc)。當測量頻率從1 kHz到1 MHz,介電峰逐漸變寬,居里溫度也向高溫方向偏移,此現象證明了樣品具有介電弛豫特性。

圖4 Bi2O3摻雜量為0.05%樣品的介電溫譜曲線

2.3 微型氣泵性能

將組分摻雜量為0.05%Bi2O3的樣品裝配成4只微型氣泵(如圖5所示),并與日本村田的MZB1001T02微型泵進行性能對比,結果如表1所示。

表1 微型氣泵性能的數據對比

圖5 微型氣泵

由表1可見,試驗裝配的4個樣品的頻率和阻抗與MZB1001T02接近,但氣壓略低于MZB1001T02。在電子美容香薰、醫療液體傳輸等領域對微型氣泵的要求是定量氣壓傳輸,要求氣壓≥1.5 kPa即可,上述制備的微型氣泵氣壓能夠滿足使用要求。因此,在低氣壓應用領域,無鉛芯片裝配的微型氣泵有望替代含鉛芯片裝配的微型氣泵。

3 結論

2) 將上述最優性能的樣品裝配在微型氣泵中,在輸入頻率(25±2) kHz、輸入電壓15 V條件下,測得微型氣泵的氣壓略低于日本村田的微型泵,在某些對氣泵氣壓要求不高的領域,樣品能夠滿足其使用要求。因此,在低氣壓(≥1.5 kPa)應用領域,無鉛芯片裝配的微型氣泵有望替代含鉛芯片裝配的微型氣泵。