專利名稱：在電場下確定晶體取向的壓電陶瓷及其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及壓電陶瓷，更具體地，涉及一種通過在電場下對非晶態(tài)材料進(jìn)行結(jié)晶化控制來在結(jié)構(gòu)上確定晶體取向的壓電陶瓷及其制造方法。
背景技術(shù)：
通常，考慮到物理方面，非晶態(tài)材料的特征是不具有晶體表現(xiàn)出的長程序，盡管可能局部范圍上具有某種規(guī)則性結(jié)構(gòu)，即短程序。具有各向同性的固體可以由在結(jié)構(gòu)上無序的非晶制成，以提供由大范圍的組合導(dǎo)致的不同特性。另外，如果向該非晶施加能量，則通過初晶相變會實(shí)現(xiàn)結(jié)晶化。如果通過晶核生成和生長而結(jié)晶了大塊的非晶，則該材料變成具有不同軸向的晶粒的多晶材料。
在大塊陶瓷材料的大塊中，晶粒的晶軸分別取向不同的方向。為了將具有壓電特性的陶瓷用作壓電裝置，必須盡可能使樣品中的晶粒的極化方向取向任何一個(gè)方向。將應(yīng)用盡可能高的直流電場的輪詢(polling)方法用于確定極化方向。根據(jù)樣品的物理特性，電場的大小是變化的；然而，要求電場的范圍是從幾KV/mm到幾十KV/mm。上述方法所應(yīng)用的材料主要是鐵電材料。表示壓電特性的耦合系數(shù)(取決于極化方向的分布度)與電場的大小和晶粒的平均尺寸有關(guān)，但該耦合系數(shù)不對信號晶體值產(chǎn)生影響。
因此，如果在所述非晶態(tài)材料的結(jié)晶化期間將所述電場沿一個(gè)方向施加到所述材料上，則在電場的施加方向上影響離子、原子或分子的能量比施加在其它方向上的能量大，導(dǎo)致元素更加活躍。在容易發(fā)生極化并與電場一致的方向上晶體的生長比在其它軸的方向上更加活躍。

發(fā)明內(nèi)容
因此，本發(fā)明的一個(gè)目的是解決現(xiàn)有技術(shù)中存在的這些問題，并提供一種利用物理現(xiàn)象來制造確定晶體取向的陶瓷的方法。
本發(fā)明的另一個(gè)目的是提供一種制造壓電陶瓷的方法，并提供由上述方法制造的壓電陶瓷，該壓電陶瓷在非晶態(tài)材料的結(jié)晶化過程中具有取向?yàn)橐粋€(gè)方向的晶軸。
本發(fā)明的再一個(gè)目的是提供一種制造具有僅次于單晶陶瓷的壓電效應(yīng)的陶瓷的方法，以及由上述方法制造的壓電陶瓷。
根據(jù)本發(fā)明，棒狀晶粒的軸取向?yàn)橐粋€(gè)方向，從而與單晶陶瓷相比，該取向方向的壓電特性得到了改進(jìn)。可以將該壓電材料應(yīng)用于各種領(lǐng)域，諸如傳感器、濾波器、致動器、振蕩器、表面聲波器件等等。根據(jù)本發(fā)明，可以將利用非晶態(tài)材料來制造具有壓電特性的陶瓷的方法應(yīng)用到非鐵電材料。
另外，本發(fā)明提供了一種通過在電場下使非晶態(tài)材料結(jié)晶來使棒狀晶粒取向?yàn)橐粋€(gè)方向的新方法。具體地，與單晶陶瓷相比，本發(fā)明顯著改進(jìn)了確定晶體取向的陶瓷的壓電特性。該方法可以應(yīng)用到各種壓電器件以改進(jìn)性能。


本發(fā)明的上述目的、其它特征和優(yōu)點(diǎn)將通過參照附圖描述優(yōu)選實(shí)施例而變得更加明了，其中圖1示出了在電場下結(jié)晶的Li2B4O7陶瓷的X射線衍射圖案的曲線圖；圖2是表示根據(jù)本發(fā)明的厚度為1.33mm的Li2B4O7非晶陶瓷的橫截面的SEM圖片；圖3是表示根據(jù)本發(fā)明在3.8V/mm的電場下、在530℃的溫度時(shí)局部結(jié)晶的部分的SEM圖片；圖4是根據(jù)本發(fā)明的結(jié)晶部分的放大SEM圖片；圖5是根據(jù)本發(fā)明的結(jié)晶樣品的放大SEM圖片；
圖6是根據(jù)本發(fā)明在非晶態(tài)Li2B4O7的結(jié)晶化過程中，棒狀細(xì)晶粒的生長方向和晶粒的縱向的示意圖；圖7示出了根據(jù)本發(fā)明的棒狀晶粒相對于c軸分布的示意圖；圖8示出了根據(jù)本發(fā)明，當(dāng)將厚度為0.46mm并且半徑為2.7mm的盤狀樣品取向?yàn)閏軸方向并且在該c軸方向施加電場時(shí)，在諧振頻率下電介質(zhì)部分的實(shí)部和虛部的變化曲線圖。
具體實(shí)施例方式
現(xiàn)在將具體描述本發(fā)明的實(shí)施例，其示例在附圖中示出。
根據(jù)該實(shí)施例，對非晶態(tài)材料施加低交變電場(優(yōu)選地0.1V/mm至10V/mm)，同時(shí)使該非晶態(tài)材料結(jié)晶以在該電場下制造確定晶體取向的壓電陶瓷，從而獲得具有良好壓電效應(yīng)的樣品。
如果本發(fā)明所提出的方法不是由鐵電材料而是由單晶材料制成的，則所述樣品表現(xiàn)出壓電特性。因此，在使用非鐵電材料的其它材料的情況下，由根據(jù)本發(fā)明的方法制造出的陶瓷樣品也表現(xiàn)出良好的壓電特性。
通過以1∶2的比例混合并熔化Li2O和B2O3，并將該混合物平淬火(flat-quenching)來預(yù)備Li2B4O7非晶樣品。通過濺射方法將用作電極的金淀積在厚度為1.3毫米和面積為5×10mm2的Li2B4O7非晶樣品的兩個(gè)寬面上。對該非晶樣品施加頻率為1至50Hz、范圍為幾V/mm至幾十V/mm(優(yōu)選地，從0.1V/mm至10V/mm)的電場，并將其在450℃以上的電爐中結(jié)晶。這時(shí)，優(yōu)選地，所施加的頻率是10Hz，所施加的電場是3.8V/mm，并且溫度是530℃。
圖1至8中示出了通過上述方法制造出的Li2B4O7的非晶壓電陶瓷的特性。
具體地，圖1示出了在電場下結(jié)晶的Li2B4O7壓電陶瓷的X射線衍射圖案。在測量該圖案時(shí)該樣品面垂直于入射的X射線。應(yīng)該理解散射角為34.87°的峰值對應(yīng)于(004)方向，并且該陶瓷中的晶粒相對于晶軸c被很好地定向。另外，應(yīng)該理解散射角為55.30°的峰值對應(yīng)于(116)方向，并且該陶瓷中的晶粒相對于任何一個(gè)方向未被定向，而是分布于某些角度。由于晶軸(004)和(116)所形成的角是13.26°，所以該樣品中的晶粒相對于c軸被很好地定向，c軸具有上述角度的分布。應(yīng)該理解，因?yàn)樗┘拥碾妶龇较虼怪痹摌悠访?，所以晶粒的c軸垂直于或取向于該樣品面。
圖2是表示厚度為1.33mm的Li2B4O7非晶陶瓷的橫截面的SEM圖片。形成在兩個(gè)表面上的薄的白色部分是為了施加電場而通過濺射工藝所淀積的金電極。
圖3是表示在3.8V/mm的電場、530℃的溫度下局部結(jié)晶化圖案的SEM圖片；應(yīng)該理解該結(jié)晶化發(fā)生在兩個(gè)表面上方厚度為140μm的區(qū)域上。該圖片的尺寸是2,000μm×2,900μm。
圖4是結(jié)晶化部分的放大SEM圖片。應(yīng)該理解，所有的棒狀晶粒都取向在一個(gè)方向。根據(jù)X射線衍射測試可以知道，該棒狀的縱向平行于c軸方向。該圖片的尺寸是8μm×11.7μm。
圖5是結(jié)晶化樣品的放大SEM圖片。應(yīng)該理解，直徑為250nm至500nm的所有晶粒都取向?yàn)橐粋€(gè)方向(c軸)。該圖片的尺寸是1.6μm×2.3μm。
圖6是在Li2B4O7的非晶陶瓷的結(jié)晶化過程中，棒狀細(xì)晶粒的生長方向和晶粒的縱向的示意圖。應(yīng)該理解，施加交變電場的方向、棒狀晶粒的縱向和晶粒的c軸方向都是相互一致的。
圖7示出了棒狀晶粒相對于c軸的分布的示意圖。棒狀晶粒的大部分分布在相對于c軸成15°角的范圍內(nèi)。
圖8示出了當(dāng)厚度為0.46mm并且半徑為2.7mm的盤狀樣品取向?yàn)閏軸方向并且在該c軸方向施加電場時(shí)，在諧振頻率下電介質(zhì)部分的實(shí)部和虛部的變化曲線圖。
根據(jù)該實(shí)施例，Li2B4O7棒狀晶粒朝向ab面的生長非常受限。c軸方向的生長速度在530℃時(shí)為22μm/min，在大約30分鐘內(nèi)完成了厚度為1.3mm的結(jié)晶化。
另外，當(dāng)根據(jù)該實(shí)施例的樣品被制成厚度為0.46mm、半徑為2.7mm的盤狀，并且在c軸方向施加電場時(shí)，縱向耦合因數(shù)為kj＝0.13，橫向耦合因數(shù)為kt＝0.48，從而提供了可與單晶Li2B4O7相比擬的壓電效應(yīng)。
盡管參照優(yōu)選實(shí)施例描述和說明了本發(fā)明，但是對于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來講，顯然可以在不脫離本發(fā)明的精神和范圍的情況下作出各種修改和變化。因此，本發(fā)明旨在覆蓋落入所附權(quán)利要求及其等同物范圍內(nèi)的對本發(fā)明的修改和變化。
工業(yè)適用性從以上說明可明顯看出，本發(fā)明提供了一種制造具有可與單晶陶瓷相比的壓電效應(yīng)的材料的新方法。該方法可以通過探詢來應(yīng)用到單晶情況下具有壓電特性的非鐵電材料和具有壓電效應(yīng)的鐵電陶瓷。另外，可以將通過上述方法產(chǎn)生的陶瓷的改進(jìn)壓電特性應(yīng)用于信息技術(shù)、器件技術(shù)、機(jī)械技術(shù)等等。
權(quán)利要求
1.一種通過使用鐵電材料或非鐵電材料來制造壓電陶瓷的方法，該方法包括如下步驟向所述鐵電材料或非鐵電材料施加電場，以形成確定晶體取向的壓電陶瓷。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述電場是交變電場。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的方法，其中所施加的電場強(qiáng)度是0.1V/mm至10V/mm。
4.一種通過根據(jù)權(quán)利要求1至3中的任意一項(xiàng)所述的方法制造出的壓電陶瓷。
5.一種制造壓電陶瓷的方法，包括如下步驟以1∶2的比例混合并熔化Li2O和B2O3；對所述混合物進(jìn)行平淬火，以形成非晶態(tài)的Li2B4O7；通過濺射工藝在非晶Li2B4O7的兩個(gè)表面上淀積金，所述金被用作電極；對所述非晶態(tài)的Li2B4O7施加頻率為1至50Hz、范圍為0.1V/mm至10V/mm的電場；并且在450℃以上的電爐中對所述非晶態(tài)的Li2B4O7進(jìn)行加熱，以使所述非晶態(tài)的Li2B4O7結(jié)晶。
6.一種通過根據(jù)權(quán)利要求5的方法制造出的非晶態(tài)Li2B4O7的壓電陶瓷。
全文摘要
公開了一種通過在電場下對非晶態(tài)材料進(jìn)行結(jié)晶化控制來在結(jié)構(gòu)上確定晶體取向的壓電陶瓷及其制造方法。對該非晶態(tài)材料施加電場以產(chǎn)生確定晶體取向的壓電陶瓷。該材料是以1∶2的比例包括有Li
文檔編號H02N2/00GK1703786SQ02829902
公開日2005年11月30日 申請日期2002年11月16日 優(yōu)先權(quán)日2002年11月16日
發(fā)明者梁龍錫, 金秀宰, 金鐘洙 申請人:技星金屬株式會社, 梁龍錫, 金秀宰