Bi2O3掺杂Ba0.85Ca0.15(Zr0.1Ti0.88Mn0.02)O3压电陶瓷及微型气泵的制备与性能研究

张元松,秦 洁,张珍宣,赖 炜,吴小慧,王兰花,吴朝怡

(贵州振华红云电子有限公司,贵州 贵阳 550018)

0 引言

压电陶瓷被广泛应用于电声器件、超声传感器、声表面波滤波器等器件中。较典型的应用是二元系PZT压电陶瓷,而随着压电陶瓷应用的发展,逐渐出现了三元系、四元系及五元系等压电陶瓷材料[1-3]。但在PZT压电陶瓷制备过程中,铅的挥发会造成环境污染且危害人类健康,因此,无铅系列压电陶瓷成为研究的焦点。无铅压电陶瓷中钙钛矿型结构是主要的研究和应用热点,其体系有锆钛酸钡(BZT)压电陶瓷、铌酸钾钠(KNN)压电陶瓷、锆钛酸钡钙(BCZT)压电陶瓷等[4-7],主要应用于电声、传感等领域,使用面相对较窄,尤其在电子美容香薰、医疗液体传输等领域上的应用鲜有报道。上述两个领域的主要核心部件是微型气泵,鉴于使用领域的特殊性,含铅的压电陶瓷虽然性能优异,但难以在上述领域广泛应用。

超声领域一般要求压电材料体系的介电损耗(tanδ≤0.8%)越小越好,但锆钛酸钡钙(BCZT)体系的介电损耗tanδ≥1.0%,应用受限。本文在锆钛酸钡钙(BCZT)体系中掺杂Mn4+,形成BCZTM体系,降低了锆钛酸钡钙(BCZT)体系的介电损耗,再掺入Bi2O3,并研究其对BCZTM体系性能的影响,优选性能最佳的配方,制备成压电芯片并组装在微型压电气泵上,与日本村田的MZB1001T02微型泵(含铅压电芯片装配)进行性能对比,由此探讨无铅压电芯片装配的微型气泵替代含铅压电芯片装配的微型气泵的可能性。

1 实验

1.1 试样制备

实验组分为Ba0.85Ca0.15(Zr0.1Ti0.88Mn0.02)O3+xBi2O3,其中质量分数x分别为0.02%、0.03%、0.04%、0.05%、0.06%。采用固相烧结法制备样品。选用碳酸钡(BaCO3,≥99.0%,AR)、氧化钙(CaO,≥99.0%,AR)、三氧化二铋(Bi2O3,≥99.99%,AR)、氧化锰(MnO2,≥99.9%,AR)、二氧化锆(ZrO2,≥99.0%,AR)、二氧化钛(TiO2,≥99.0%,AR)粉体作为原材料,按照化学计量比计算组分,并在室温条件下称料。将称量的组分倒入球磨罐中,加入一定配比的球磨介质(氧化锆球)和去离子水,并安装在球磨机上进行行星式球磨,球磨时间4 h后,出料干燥过筛,瓷料放置坩埚中,在1 100 ℃下预烧4 h。预烧后进行二次行星式球磨,球磨时间4 h后干燥,加入质量分数18%的聚乙烯醇造粒,在轧膜机上轧成厚度0.15 mm的膜带,之后冲成∅12.3 mm×0.15 mm的生坯。生坯在1 360 ℃下烧结6 h。烧结后的样品用∅9.6 mm的尼龙网印银、750 ℃烘银,并置于50 ℃硅油内,按3.5 kV/mm极化20 min,静置24 h后进行介电和压电性能测试。通过SEM、XRD等手段分析样品的微观结构。通过介电温谱测试性能最优样品的居里温度。

1.2 试样表征

(1)

(2)

式中C为静电电容,单位为pF。

选择性能最优的芯片装配在微型气泵上,在ZX80A阻抗分析仪上测试其频率和阻抗。将自制电路板接入直流电源并输入电压(0～15 V),电路板将直流信号转换为方波信号,同时输入频率(25±2) kHz至微型气泵中,再将气泵出口处接入YE100膜盒压力表测试气压。

2 实验结果与讨论

2.1 样品的微观结构

图1为样品的XRD衍射图谱。由图可见,不同量的Bi2O3掺杂在Ba0.85Ca0.15(Zr0.1Ti0.88Mn0.02)O3组分中,样品均呈单一的钙钛矿结构。随着Bi2O3掺杂量增加,在衍射角2θ=44°～47°附近,(200)峰处出现(002)和(200)的劈峰,这说明样品从四方相开始向三方相转换,样品具有三方-四方相共存的特性。这种两相共存的特性在Bi2O3掺杂量(质量分数)为0.05%、0.06%尤为明显,但因掺杂导致了衍射强度较弱[8]。

图1 样品的XRD衍射图谱

图2为不同掺杂量Bi2O3样品的显微结构。由图可见,随着Bi2O3掺杂量的逐渐增加,晶粒有逐渐长大的趋势。这是因为Bi2O3的熔点低,在高温烧结过程中,Bi2O3熔解后会不断润湿晶界,促进晶粒均匀生长。但并非Bi2O3掺杂越多越好,图2(e)中样品显微结构的晶界变得圆滑,说明在相同温度下,该样品烧结温度偏高,晶界呈现熔解现象,这也说明在相同温度下,掺杂量Bi2O3是有限的。

图2 样品的SEM组织结构

2.2 样品的压电性能

图3为样品的介电和压电性能。

图3 样品的介电和压电性能

对Bi2O3掺杂量为0.05%的样品进行介电温谱分析,所测得数据绘制的曲线如图4所示。由图可见,随着温度的增加,样品的介电常数逐渐增加,当温度超过80 ℃后,介电常数开始下降。这说明了80 ℃是样品的四方铁电相-立方顺电相的转变温度,即样品的居里温度(Tc)。当测量频率从1 kHz到1 MHz,介电峰逐渐变宽,居里温度也向高温方向偏移,此现象证明了样品具有介电弛豫特性。

图4 Bi2O3掺杂量为0.05%样品的介电温谱曲线

2.3 微型气泵性能

将组分掺杂量为0.05%Bi2O3的样品装配成4只微型气泵(如图5所示),并与日本村田的MZB1001T02微型泵进行性能对比,结果如表1所示。

表1 微型气泵性能的数据对比

图5 微型气泵

由表1可见,试验装配的4个样品的频率和阻抗与MZB1001T02接近,但气压略低于MZB1001T02。在电子美容香薰、医疗液体传输等领域对微型气泵的要求是定量气压传输,要求气压≥1.5 kPa即可,上述制备的微型气泵气压能够满足使用要求。因此,在低气压应用领域,无铅芯片装配的微型气泵有望替代含铅芯片装配的微型气泵。

3 结论

2) 将上述最优性能的样品装配在微型气泵中,在输入频率(25±2) kHz、输入电压15 V条件下,测得微型气泵的气压略低于日本村田的微型泵,在某些对气泵气压要求不高的领域,样品能够满足其使用要求。因此,在低气压(≥1.5 kPa)应用领域,无铅芯片装配的微型气泵有望替代含铅芯片装配的微型气泵。