壓電陶瓷換能器的可行性初步研究

1、壓電陶瓷換能器的可行性初步研究背景介紹1.1壓電陶瓷相關(guān)的基本概念壓電陶瓷：一種能夠?qū)C械能和電能互相轉(zhuǎn)換的功能陶瓷材料，屬于 HYPERLINK /view/138713.htm 無機非金屬材料。這是一種具有壓電效應的材料。正壓電效效應：某某些材料料在機械械應力作作用下，引起內(nèi)內(nèi)部正負負電荷中中心相對對位移而而發(fā)生極極化，導導致材料料兩端表表面出現(xiàn)現(xiàn)符號相相反的束束縛電荷荷的現(xiàn)象象。稱逆壓電電效應：施加激激勵電場場，介質(zhì)質(zhì)將產(chǎn)生生機械變變形的現(xiàn)現(xiàn)象。1.2壓壓電陶瓷瓷的發(fā)展展現(xiàn)狀及及其分類類壓電陶瓷瓷是含高高智能的的新型功功能電子子材料，隨著材材料及工工藝的不不斷研究究和改良良，壓電電陶瓷的

2、的技術(shù)越越來越廣廣，而且且隨著電電子，信信息，航航空航天天高科學學技術(shù)領(lǐng)領(lǐng)域日新新月異的的發(fā)展，壓電陶陶瓷材料料的制作作技術(shù)和和應用開開發(fā)將會會越來越越受到人人們的關(guān)關(guān)注和重重視。壓壓電陶瓷瓷目前有有以下幾幾種分類類：A：一元元系壓電電陶瓷BaTiiO3是是典型的的陶瓷鐵鐵電體，機電耦耦合系數(shù)數(shù)大，制制備容易易可以制制成任意意形狀和和任意極極化方向向的產(chǎn)品品等的優(yōu)優(yōu)點。PbTiiO3居居里溫度度高（TTc=4490），自發(fā)發(fā)極化強強度是各各種鈣鈦鈦礦型晶晶體結(jié)構(gòu)構(gòu)的鐵電電體中最最高的，是一種種具有熱熱釋電性性和壓電電性，能能在高溫溫下使用用的壓電電陶瓷。B：二元元系壓電電陶瓷PbZrrO3-P

3、bTiiO3（PPZT）相比一一元系具具有高耦耦合，高高機械品品質(zhì)因數(shù)數(shù)和高穩(wěn)穩(wěn)定性等等特征，在使用用范圍內(nèi)內(nèi)沒有明明顯相變變點，可可作為濾濾波器等等通信材材料，而而高耦合合，高介介電常數(shù)數(shù)方面的的優(yōu)點又又明顯擴擴大了壓壓電陶瓷瓷的應用用范圍，不僅可可以作為為振子，而且還還可以作作為換能能器材。C：三元元系及多多元系壓壓電陶瓷瓷三元系陶陶瓷比二二元系更更具有優(yōu)優(yōu)越的性性能，可可以大幅幅度地調(diào)調(diào)節(jié)可供供選擇的的組成成成份和壓壓電性，容易獲獲得高機機電耦合合數(shù)的接接受型材材料。壓電陶瓷瓷的發(fā)展展趨勢：壓電復復合材料料，壓電電薄膜，無鉛壓壓電陶瓷瓷，納米米壓電陶陶瓷等，出現(xiàn)高高位移的的新型壓壓電致動

4、動器，壓壓電變壓壓器，主主動減振振和降噪噪的壓電電器件，醫(yī)用微微型壓電電陶瓷傳傳感器等等新器件件。壓電陶瓷瓷換能器器2.1壓壓電陶瓷瓷特點及及其應用用分類壓電陶瓷瓷換能器器的特點點是：致致密度高高、機械械強度高高、加工工容易、適合大大批量生生產(chǎn)。經(jīng)經(jīng)過一些些容易實實現(xiàn)的加加工手段段就可制制成任何何給定的的形狀和和幾何尺尺寸。它它們的化化學性質(zhì)質(zhì)不活潑潑, 不易易受化學學侵蝕, 不受受濕汽和和其他惡惡劣氣候候條件的的影響。此外, 這些些陶瓷的的機械定定向和電電學定向向可與陶陶瓷的形形狀準確確取向。壓電陶瓷瓷換能器器廣泛應應用于數(shù)數(shù)據(jù)處理理、信息息處理、通訊、聲納、陀螺、水聲器器、記步步器、激激光

5、器、噴墨打打印、超超聲清洗洗、超聲聲焊接、報警、以及燃燃氣設(shè)備備等行業(yè)業(yè)和技術(shù)術(shù)領(lǐng)域。壓電陶陶瓷的主主要應用用領(lǐng)域舉舉例如表表1所示。表1壓電電陶瓷的的主要應應用領(lǐng)域域舉例應用領(lǐng)域域舉例一 電電源壓電變壓壓器雷達，電電視顯像像管，陰陰極射線線管，蓋蓋克技術(shù)術(shù)管，激激光管和和電子復復制機等等高壓電電源和壓壓電點火火裝置二 信信號源標準信號號源振蕩器，壓電音音叉，壓壓電音片片等用作作精密儀儀器中的的時間和和頻率標標準信號號源三 信信號轉(zhuǎn)換換電聲換能能器拾聲器，送話器器，受話話器，揚揚聲器，蜂鳴器器等聲頻頻范圍的的電聲器器件四發(fā)射與與接收超聲換能能器超聲切割割，焊接接，清洗洗，攪拌拌，乳化化及超聲聲

6、顯示等等頻率高高于200KHzz的超聲聲器件，壓電馬馬達，探探測地質(zhì)質(zhì)構(gòu)造，油井固固實程度度，無損損探傷和和測厚，催化反反應，超超聲衍射射，疾病病診斷等等各種工工業(yè)用的的超聲器器件水聲換能能器水下導航航定位，通訊和和探測的的聲納，超聲探探測，魚魚群探測測和傳聲聲器等五 信信號處理理濾波器通訊廣播播中所用用各種分分立濾波波器和復復合濾波波器，如如彩電中中頻濾波波器；雷雷達，自自控和計計算系統(tǒng)統(tǒng)所用帶帶通濾波波器，脈脈沖濾波波器等放大器聲表面信信號放大大器以及及振蕩器器，混頻頻器，衰衰減器，隔離器器等表面波導導聲表面波波傳輸線線六傳感與與計測加速度計計壓力計工業(yè)和航航空技術(shù)術(shù)上測定定振動體體或飛行

7、行器工作作狀態(tài)的的加速度度計，自自動控制制開關(guān)，污染檢檢測用振振動計以以及流速速計，流流量計和和液面計計等角速度計計測量物體體角速度度及控制制飛行器器航向的的壓電陀陀螺紅外探測測計監(jiān)視領(lǐng)空空，檢測測大氣污污染濃度度，非接接觸式測測溫以及及熱成像像，熱電電探測、跟蹤器器等位移與致致動器激光穩(wěn)頻頻補償元元件，顯顯微加工工設(shè)備及及光角度度，光程程長的控控制器七 存貯貯調(diào)制用于電光光和聲光光調(diào)制的的光閥，光閘，光變頻頻器和光光偏轉(zhuǎn)器器，聲開開關(guān)等存貯光信息存存貯器，光記憶憶器顯示鐵電顯示示器，聲聲光顯示示器等八 其它它非線性元元件壓電繼電電器2.2壓壓電陶瓷瓷的極化化機理及及機電轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換壓電陶瓷瓷換能器

8、器用陶瓷瓷片的極極化過程程是壓電電陶瓷片片的電疇疇在直流流電場作作用下定定向排列列的過程程。如圖圖2所示示。圖2 壓壓電陶瓷瓷片的極極化效應應圖二中的的為極化化前,為極化化后，aa為陶瓷瓷片的厚厚度(即即極化電電極之間間的尺寸寸)，bb為陶瓷瓷片的電電極。壓電陶瓷瓷片極化化后, 若給陶陶瓷片施施加一個個低于極極化電壓壓的交流流電信號號, 陶瓷瓷片就會會產(chǎn)生形形變, 如圖(3)所所示。如如果外加加的交流流電信號號與極化化電壓的的極性相相同, 就會使使陶瓷沿沿著極化化軸(即即x方向向)繼續(xù)續(xù)膨脹，而在垂垂直于極極化軸的的方向（即y方方向）收收縮，如如圖（33）中的的所示。圖 3 壓電陶陶瓷片極極化

9、后產(chǎn)產(chǎn)生形變變圖 4 壓電陶陶瓷的基基本變形形圖 5 給陶瓷瓷片加壓壓力或張張力產(chǎn)生生一定電電壓的交交流部電電信號若在陶瓷瓷片上施施加的交交流信號號呈極性性相反時時就會產(chǎn)產(chǎn)生相反反的作用用：沿極極化軸（x方向向）出現(xiàn)現(xiàn)收縮，垂直于于極化軸軸方向（y方向向）出現(xiàn)現(xiàn)膨脹。如圖（3）中中的所示。在和清況下下, 當在在陶瓷片片電極上上撤除電電信號時時, 陶瓷瓷片就回回復到原原來的極極化尺寸寸如圖22中所示示。壓電陶瓷瓷片的膨膨脹和收收縮作用用使陶瓷瓷片發(fā)生生變形。兩種作作用的組組合產(chǎn)生生一種總總體形變變, 形變變性質(zhì)取取決于陶陶瓷的形形狀和組組分、極極化軸的的取向和和電極的的取向。圖(44)表示示一些

10、陶陶瓷片的的一些形形變模式式、厚度度和表面面切變、厚度膨膨脹和收收縮。一一般有兩兩種或多多種作用用同時存存在。極化過程程完成之之后, 給陶瓷瓷片加上上一個壓壓力和張張力就會會產(chǎn)生一一個具有有一定電電壓的交交流電信信號, 見圖55。如圖所所示, 如果所所加的壓壓力平行行于極化化軸, 或所加加張力垂垂直于極極化軸, 就會會產(chǎn)生一一個極性性與極化化電壓相相反的電電壓。2.3壓壓電陶瓷瓷換能器器制造工工藝壓電陶瓷瓷換能器器的制造造是經(jīng)過過配料、燒結(jié)、機械加加工、表表面金屬屬化、用用直流電電場進行行極化處處理而得得到。壓壓電陶瓷瓷的物理理、化學學和壓電電特性為為適合特特殊的應應用可以以通過設(shè)設(shè)計相應應的

11、壓電電陶瓷材材料配方方并輔以以一定的的工藝技技術(shù)而實實現(xiàn)。要得到性性能良好好的壓電電陶瓷，必須掌掌握它的的制作工工藝。工工藝條件件的變化化，對壓壓電性能能的影響響很大。因此，我們要要認識壓壓電陶瓷瓷的內(nèi)在在規(guī)律，設(shè)計合合理的制制作工藝藝，嚴格格控制它它的操作作過程。壓電陶瓷瓷的制作作過程主主要包括括以下步步驟：配料排膠成型粉碎混合預燒機械加工上電極極化測試燒成2.3.1配料料2.3.1.11 原料料的選擇擇和處理理原料是制制備壓電電陶瓷的的基礎(chǔ)。選擇原原料一般般應注意意其化學學組成和和物理狀狀態(tài)。(1)純純度對純度的的要求應應適度。高純原原料，價價格昂貴貴，燒結(jié)結(jié)溫度高高，溫區(qū)區(qū)窄。純純度稍低

12、低的原料料，有的的雜質(zhì)可可起礦化和助助熔的作作用，反反而使燒燒結(jié)溫度度較低，且溫區(qū)區(qū)較寬。過低純純度原料料雜質(zhì)多多，不宜宜采用。(2)雜雜質(zhì)含量量壓電陶瓷瓷材料中中雜質(zhì)允允許量主主要根據(jù)據(jù)以下三三點因素素決定：1)雜質(zhì)質(zhì)類型有害雜雜質(zhì)對材料絕絕緣、介介電性等等影響極極大的雜雜質(zhì)，特特別是異異價離子子。如BB、C、P、S、Al等，愈少愈愈好。有利雜雜質(zhì)與材料AA、B位離子子電價相相同、半半徑接近近，能形形成置換換固溶的的雜質(zhì)。如Caa2+、Sr2+、Ba2+、Mg2+、Sn4+、Hf4+等離子子，一般般在0.200.5%范圍內(nèi)內(nèi)，壞的的影響不不大，甚甚至有利利。2)材料料類型接收型型壓電陶陶瓷材

13、料料已引入了了降低電電導率和和老化率率的高價價施主雜雜質(zhì)，原原料中在在0.55%以內(nèi)內(nèi)的雜質(zhì)質(zhì)不足以以顯著影影響施主主雜質(zhì)的的既定作作用。發(fā)射型型壓電陶陶瓷材料料要求低機機電損耗耗，因而而配料中中的雜質(zhì)質(zhì)總量，愈少愈愈好，一一般希望望在0.05%以下。對于為為了提高高其它性性能參數(shù)數(shù)的有意意添加物物，另當當別論。3)原料料在配方方中的比比例在PZTT配方中中，比例例大的原原料Pbb3O4、ZrOO2、TiOO2分別占占重量比比的600%、20%、10%左右，若雜質(zhì)質(zhì)多，引引入雜質(zhì)質(zhì)總量也也多。因因此，要要求雜質(zhì)質(zhì)總含量量均不超超過2%，即要要求純度度均在998%以以上。配方中比比例小的的其它原

14、原料，雜雜質(zhì)總含含量可稍稍高一些些，一般般均在33%以下下，即要要求純度度均在997%以以上，特特殊要求求例外。(3)穩(wěn)穩(wěn)定性與與活潑性性穩(wěn)定性是是指未進進行固相相反應前前原料本本身的穩(wěn)穩(wěn)定性。如堿金金屬和堿堿土金屬屬氧化物物易與水水作用，在空氣氣中不易易保存，不穩(wěn)定定。如NNa、Ca、Ba、Sr、Mg的氧氧化物，不宜采采用。宜宜采用與與水不起起作用、穩(wěn)定的的、加熱熱又能分分解出活活潑性大大的新鮮鮮氧化物物的相應應的碳酸酸鹽。如如Na2CO3、CaCCO3、SrCCO3、BaCCO3、MgCCO3等?；顫娦允鞘侵冈诠坦滔喾磻獞性狭媳旧淼牡幕顫娦孕浴；顫姖娦院玫脑夏艽俅偈构滔嘞喾磻晖耆?/p>

15、，利利于降低低合成溫溫度，減減少鉛揮揮發(fā)。如如Pb3O4原料比比PbOO原料活活潑性好好。因其其在加熱熱中可分分解脫氧氧成新鮮鮮活潑性性大的PPbO。(4)顆顆粒度原料顆粒粒度要求求小于00.2m，微微量添加加物應更更細。這這樣，可可增加混混料接觸觸面積，利于互互擴散反反應，使使組成均均勻，性性能良好好。另外外，還可可減小陶陶瓷內(nèi)應應力，增增加機械械強度等等。在原料的的處理方方面，有有以下常常用方法法：(1)細細磨壓電陶瓷瓷采用的的原料，若顆粒粒較粗時時，如MMnO22、出廠廠未細磨磨的ZrrO2等，必必須細磨磨?？刹刹扇≌衲ツ?、球磨磨、行星星磨等，小量原原料也可可用研缽缽研細。(2)烘烘干為

16、了不影影響配料料的準確確性，含含水原料料必須進進行烘干干脫水處處理。一一般在電電熱式干干燥箱中中干燥。溫度11101200，時間間不少于于4小時，直至無無水分為為止。(3)化化學分析析在大批量量生產(chǎn)壓壓電陶瓷瓷時，每每批購進進的原料料，因制制造或分分裝的廠廠商不同同、批次次的不同同，其質(zhì)質(zhì)量可能能不同。因此，應抽樣樣化驗其其純度或或雜質(zhì)，檢測其其顆粒度度，以保保證壓電電陶瓷的的性能。2.3.1.22 配方方計算與與稱料(1)配配方計算算壓電陶瓷瓷材料的的配方計計算通常常有兩種種方法：由原料的的重量比比來計算算配方的的方法寫出配方方的化學學分子式式寫出所用用原料的的分子式式、純度度，并查查出其分

17、分子量(moll質(zhì)量)用以下公公式計算算各原料料所需用用量 (ii=1，2，n) (1)式中xii為原料料的mool數(shù)，Mi為其mool質(zhì)量量，xiMi為其質(zhì)質(zhì)量，PPi為其純純度；為為配方總總質(zhì)量；W為總配配料用量量。該方法適適合于配配方中以以重量百百分比給給出添加加物的情情形。由原料mmol數(shù)數(shù)比例來來計算配配方的方方法寫出配方方的化學學分子式式寫出所用用原料的的分子式式、純度度，并查查出其分分子量(moll質(zhì)量)用以下公公式計算算各原料料所需用用量(i=11，2，n) (2)式中X為為配料總總moll數(shù)，其其它同上上。該方法計計算比較較簡單，特別是是配方中中以mool百分分比給出出添加物

18、物時，常常用此法法。(2) 稱料計計算稱料必須須達到以以下要求求：稱料天天平須有有一定精精度。批批量生產(chǎn)產(chǎn)中，大大料用00.1克精度度天平，小料用用0.001克克精度天天平。稱稱料前，校準零零點。稱料既既要誤差差小，又又要速度度快，以以減少原原料吸收收空氣中中水分而而造成的的誤差。稱料與與投料按按大料小小料大料料順序，以保證證小料在在混合中中的均勻勻性。嚴防各原原料算錯錯、稱錯錯、投錯錯，要仔仔細檢查查，嚴格格核對。2.3.2混合合和粉碎碎混合是將將稱量好好的原料料混合均均勻、相相互接觸觸，以利利于預燒燒時各原原料間充充分的化化學反應應。粉碎是將將預燒好好的料塊塊碎細化化，達到到一定的的平均粒

19、粒度和粒粒度分布布，為成成型和燒燒成創(chuàng)造造有利條條件。(1)工工藝方法法使用球磨磨機(滾筒式式、行星星式、攪攪拌式和和振動式式等球磨磨機)，加磨磨球(鋼球、瑪瑙球球、鋯球球等)與介質(zhì)質(zhì)(水、酒酒精等)，對原原料進行行機械混混合或粉粉碎。(2)工工藝原理理磨球靠電電動機產(chǎn)產(chǎn)生離心心力、摩摩擦力和和地心引引力的共共同作用用，形成成碰撞、循環(huán)翻翻動和自自轉(zhuǎn)等運運動，使使介于其其中的粉粉料受到到?jīng)_擊和和摩擦研研磨，從從而達到到混合與與粉碎細細化。(3)球球磨工藝藝具體球磨磨工藝視視不同球球磨機而而定，其其合理的的工藝參參數(shù)要通通過實驗驗結(jié)果(球磨后后混合均均勻程度度、粉料料粒度大大小與分分布、混混雜量

20、、效率和和成本等等)優(yōu)選，也可借借鑒相關(guān)關(guān)工藝參參數(shù)。(4)球球磨質(zhì)量量的主要要影響因因素球磨機機轉(zhuǎn)速（視球磨磨機類型型、球磨磨罐大小小等確定定）球磨罐罐(直徑、內(nèi)襯材材料等)磨球(比重、硬度、形狀、磨損率率)粉料填填充量(60%左右)粉料、球與磨磨介的比比例（視視粉料的的吸水性性、球比比重確定定）磨介的的作用(粘附、劈裂、流動、分散等等)球磨時時間（視視球磨機機類型、進料粒粒度而定定）球磨方方式(干法、濕法)2.3.3預燒燒預燒(也也稱合成成)是通過過原料中中原子或或離子之之間在加加熱作用用下的擴擴散來完成固相相化學反反應，生生成瓷料料的過程程。(1)預預燒的目目的使各原原料的固固相化學學反

21、應充充分均勻勻，生成成組成固固定的固固溶體，形成主主晶相。排除原原料中的的二氧化化碳和水水分等，減小坯坯體的燒燒成收縮縮、變形形，以便便于控制制產(chǎn)品外外形尺寸寸。(2) PZTT壓電瓷瓷料的合合成過程程分析壓電電瓷料的的合成過過程是理理解與制制定預燒燒工藝的的基礎(chǔ)。對于PPZT瓷瓷料的合合成過程程，人們們通過差差熱分析析、化學學分析、X射線分分析等手手段獲得得的結(jié)果果見圖114所示示。圖14 PZTT形成的的差熱曲曲線圖15 PZTT合成時時各相的的變化由圖144中以Pbb3O4為原料料的差熱熱曲線可可知：6300的吸熱熱效應是是因Pbb3O4分解為為PbOO引起，并開始始形成PPbTiiO3

22、，到6550形成PbbTiOO3的反應應最為顯顯著。7900是PbOOZrrO2PbbZrOO3三元共共融液形形成溫度度，但因因為這時時大量存存在的PPT 馬馬上與PPZ生成成PZTT固溶體體，所以以這也是是PZTT開始形形成的溫溫度，該該反應到到8500基本完完成。圖15表表示保溫溫2小時，PZTT合成過過程中各各相隨溫溫度變化化的情況況。可以以由圖把把反應按按溫度范范圍分成成三段，即：反應A：35006880反應B：62558000反應C：8000以上(3)預預燒工藝藝1)裝缽缽將混合干干燥后的的粉料裝裝入缽內(nèi)內(nèi)，并壓壓緊、扎扎孔、加加蓋、入入爐。5500前爐門門微開，以利排排除有機機物和

23、水水分等，之后關(guān)關(guān)爐門。2)加熱熱條件(以典型型PZTT為例)升溫速率率：視爐爐內(nèi)裝料料多少而而定。最高溫度度：8550左右(視配方方而變化化)保溫時間間：6550左右保保溫1-2小時時，以生生成PTT。 8500左右右保溫22小時，以生成成PZTT。降溫速率率：關(guān)電電隨爐冷冷卻，至至2000以下出出爐。爐內(nèi)氣氛氛：以中中性或氧氧化氣氛氛為好；還原氣氣氛會導導致料粉粉還原發(fā)發(fā)黑，必必須嚴加加控制。硅碳棒棒爐好于于電阻絲絲爐。(4)預預燒瓷料料質(zhì)量要要求外觀：顏顏色正常常、均勻勻一致；有一定定膨脹或或收縮(視具體體配方)；硬度度適中?；瘜W分析析：游離離鋯、鈦鈦、鉛少少，小于于0.55%相分析：為

24、鈣鈦鈦礦相，無雜相相。(5) 影響預預燒的因因素原料活活性及顆顆粒度其制約關(guān)關(guān)系有式中，tt為固相相反應完完全所需需時間；r為顆粒粒直徑；D0為擴散散頻率因因子；QQ為激活活能；TT為溫度度；k為常數(shù)數(shù)。這說明，固相反反應的速速度與原原料擴散散狀況(D0)、活性性()、溫度度成正比比，而與與原料顆顆粒平均均直徑成成反比。合成溫溫度(以上已已說明)。升溫速速率和保保溫時間間。坯料壓壓緊力。爐內(nèi)溫溫度均勻勻性、氣氣氛等。2.3.4 成成型與排排塑成型就是是將瓷料料壓制成成所需要要的形狀狀規(guī)格的的坯體，并為燒燒結(jié)創(chuàng)造造條件。排塑就就是在一一定溫度度下，將將成型過過程中加加入瓷料料中的粘粘合劑（或塑化

25、化劑）排排除，并并使坯體體具有一一定的機機械強度度。2.3.4.11成型坯體成型型的方式式和方法法很多，如壓力力成型法法、可塑塑成型法法和漿料料成型法法等，每每大類成成型法中中又可分分為若干干具體成成型方法法?？梢砸愿鶕?jù)制制品的形形狀、規(guī)規(guī)格、大大小來選選擇使用用，但各各有利弊弊。這里里僅介紹紹廣泛采采用的干干壓成型型法。干壓成型型是將經(jīng)經(jīng)過造粒粒的瓷料料裝入一一定形狀狀的鋼模模內(nèi)，借借助于模模塞，在在一定外外力下壓壓制成坯坯體。干壓成型型原理在外力作作用下，瓷料顆顆粒在模模具內(nèi)相相互靠近近，并借借助內(nèi)部部作用力力牢固地地把各顆顆粒聯(lián)系系起來，成為保保持一定定形狀的的坯體。干壓坯體體的結(jié)構(gòu)構(gòu)：

26、可看看成由液液相（粘粘合劑）層、空空氣、瓷瓷料顆粒粒組成的的三相結(jié)結(jié)合體系系。內(nèi)部作用用力及其其物理機機制：顆粒接接觸鑲嵌嵌引起的的嚙合力力；粘合劑劑在顆粒粒間微孔孔中的無無細管壓壓力；顆粒間間、粘合合劑和顆顆粒間的的分子引引力；接觸物物間電荷荷轉(zhuǎn)移引引起的靜靜電吸引引力。成型條件件選擇的的一般原原則加壓方式式干壓成型型一般分分單向加加壓和雙雙向加壓壓兩種方方式。較較薄制品品可采用用單向加加壓方式式；厚制制品宜采采用雙向向加壓，以使坯坯體內(nèi)密密度較均均勻。壓力對不同瓷瓷料、不不同形狀狀制品，壓強由由實驗確確定。一一般在11-3TT/cmm3范圍，以保證證坯體密密度均勻勻地達到到5.44-5.7

27、g/cm33。加壓速度度和保壓壓時間對于較大大體積坯坯體，加加壓必須須緩慢，達到最最大壓力力后，需需保壓一一定時間間，以利利于排除除坯體中中的空氣氣，防止止分層和和裂紋。對薄小小坯體，加壓可可較快，保壓幾幾秒鐘即即可。粘合劑的的使用1）粘合合劑對成成型的作作用賦予瓷料料以可塑塑性，便便于成型型，且坯坯體具有有較高的的、均勻勻的致密密度；增加瓷料料的粘結(jié)結(jié)性，使使成型坯坯體具有有一定的的機械強強度；減少瓷料料與模壁壁間的摩摩擦力，便于脫脫模，減減小分層層裂紋現(xiàn)現(xiàn)象。2）壓電電陶瓷制制品對粘粘合劑的的要求有足夠夠的粘結(jié)結(jié)性；揮發(fā)溫溫度范圍圍寬，能能緩慢分分散地分分解揮發(fā)發(fā)，避免免快速集集中揮發(fā)發(fā)引

28、起坯坯體開裂裂；揮發(fā)溫溫度不能能太低，以免和和水分同同時揮發(fā)發(fā)，造成成坯體變變形或開開裂，但但也不能能太高，引起鉛鉛等揮發(fā)發(fā)；加熱揮揮發(fā)后，無殘留留雜質(zhì)，以免影影響制品品的性能能。3）粘合合劑的配配制粘合劑的的品種很很多，壓壓電瓷料料干壓成成型使用用聚乙烯烯醇（PPVA）的比較較多，無無毒，且且基本能能滿足上上述要求求。以下下介紹其其典型配配方、特特點及制制法。5%濃濃度的PPVA水水溶液，配方簡簡單，成成本低，但存放放期短（10天以以內(nèi)）。PVAA：甘油油：酒精精：蒸餾餾水=115：7：3：75（wt%）。粘粘度較大大，存放放期較長長，不易易變質(zhì)，但較低低溫度下下過稠，不宜采采用。配制：混混

29、合，990溫度下下攪拌溶溶化，過過濾、密密封存放放備用。造粒造粒是將將瓷料混混合粘結(jié)結(jié)劑后，制成流流動性好好的較粗粗顆粒（約200目/吋）。把這種種顆粒稱稱為團粒粒，以示示區(qū)別。造粒的作作用因細磨后后的瓷粉粉細且輕輕、比表表面積大大、占據(jù)據(jù)體積大大，從而而流動性性差、裝裝填密度度和壓實實密度不不高。所所以造粒粒的作用用就在于于均勻瓷瓷粉中的的粘合劑劑、增加加其顆粒粒度、比比重和流流動性，使成型型坯體致致密度提提高。常用造粒粒方法及及特點普通手手工造粒粒法將瓷料加加適量（如4-5wtt%）的的5%濃度度PVAA水溶液液粘合劑劑，在研研缽內(nèi)手手工細混混均勻，然后過過篩即可可。該法操作作簡單，但勞動

30、動強度大大，混合合難以均均勻，團團粒質(zhì)量量不高，效率低低，僅適適合實驗驗室和小小量生產(chǎn)產(chǎn)。加壓造造粒法將瓷料加加入4-5wtt%的5%濃度度PVAA水溶液液粘合劑劑，在混混料機中中攪研均均勻，過過20目/吋篩。然后在在液壓機機上用壓壓模以1180-2500kg/cm22壓力保保壓1分鐘壓壓成圓餅餅。用破破碎機破破碎圓餅餅，直至至全部通通過200目/吋篩即即可備用用。該法團粒粒密度大大，坯體體機械強強度高，能滿足足各種大大型和異異型制品品成型要要求。但但產(chǎn)量較較小，效效率不高高，工藝藝操作要要求嚴格格，適合合于實驗驗室實驗驗和中批批量生產(chǎn)產(chǎn)。噴霧干干燥造粒粒法將混合粘粘合劑的的瓷料先先做成料料漿

31、，再再經(jīng)噴霧霧干燥機機進行霧霧化干燥燥造粒，并收集集備用。團粒粗粗細可由由霧化相相關(guān)條件件控制。該法顆粒粒為球狀狀、流動動性好、質(zhì)量好好、且產(chǎn)產(chǎn)量大、連續(xù)生生產(chǎn)、效效率高，勞動強強度小和和條件得得到改善善。宜于于大批量量生產(chǎn)，但設(shè)備備成本高高。模具設(shè)計計模具的設(shè)設(shè)計以制制品的形形狀、尺尺寸、壓壓力、粉粉料壓縮縮化、燒燒結(jié)收縮縮率、粗粗糙度等等為依據(jù)據(jù)，設(shè)計計模具：配合精精度（如如三級精精度配合合）；光潔度度（如工工作面10）；硬度（如HRRC 557-662）；脫模錐錐度（一一般不小小于1%）；形狀、尺寸；用材（工具鋼鋼，如CCr122鋼）等等。影響成型型質(zhì)量的的因素粘合劑以PVAA粘合劑劑為

32、例，主要影影響因素素有：聚合度度n。n過大，鏈節(jié)長長，粘結(jié)結(jié)力和彈彈性大，不利于于造粒和和成型；n過小，鏈節(jié)輕輕，彈性性和粘結(jié)結(jié)力小，起不到到粘合劑劑作用。n一般選選17550550較合合適。用量。過少，不利于于成型。過多，排塑后后，氣孔孔多，影影響坯體體和瓷體體密度及及機電性性能團粒性質(zhì)質(zhì)主要包括括粒形、粒度、粒度分分布、密密度等對對流動性性、裝填填密度和和壓實密密度的影影響。加壓制度度包括加壓壓方式、成型壓壓力、加加壓速度度和保壓壓時間對對成型質(zhì)質(zhì)量的影影響。模具模具陰陽陽件的配配合精度度、光潔潔度、脫脫模錐度度等對成成型坯體體有重要要的影響響。2.3.5排塑塑（1）排排塑的必必要性成型坯

33、體體中粘合合劑是一一種高分分子化合合物，含含碳多，碳在氧氧氣不足足時燃燒燒產(chǎn)生還還原性很很強的一一氧化碳碳。一氧氧化碳奪奪取PZZT中的的氧而形形成二氧氧化碳，使金屬屬氧化物物還原為為導電的的金屬（如Pbb）和半半導體性性質(zhì)的低低價氧化化物（如如Ti2O3），影影響陶瓷瓷的顏色色、成瓷瓷性、燒燒銀、極極化和最最終性能能。所以以，在燒燒結(jié)前，必須對對坯體進進行排塑塑。（2）排排塑的基基本要求求1）根據(jù)據(jù)PVAA粘合劑劑的揮發(fā)發(fā)性，嚴嚴格控制制排塑的的升溫速速度和保保溫時間間。在排除PPVA粘粘合劑過過程中，1000左右（隨坯體體厚度增增加而增增加）是是水分的的揮發(fā)，2000-5000是PVAA的

34、揮發(fā)發(fā)溫區(qū)。這樣，1000左右要要保溫一一段時間間，5000以前必必須緩慢慢升溫。2）根據(jù)據(jù)PVAA粘合劑劑的分解解特性，控制排排塑氣氛氛PVA粘粘合劑加加熱分解解及氧不不足情況況下對PPZT作作用的反反應式有有：這樣，PPZT坯坯體發(fā)生生了不同同程度的的還原反反應，將將導致的的結(jié)果有有：燒結(jié)時不不易結(jié)晶晶成瓷，顏色不不正常；燒銀時發(fā)發(fā)生滲銀銀發(fā)黑，極化時時則難以以加上電電壓；陶瓷電性性能惡化化等。因此，必必須確保保使排塑塑爐內(nèi)有有充足的的氧氣氛氛。（3）排排塑工藝藝將坯體裝裝入透氣氣性好的的耐火槽槽板中，推入氧氧氛好的的排塑爐爐內(nèi)，按按一定加加熱制度度排塑。典型例例如下：升溫速度度：0450

35、0，50/h；45007550，1500/h最高溫度度：7550（6000前，微微開爐門門，6000關(guān)爐門門）保溫時間間：1hh冷卻方式式：關(guān)電電源隨爐爐冷卻。2.3.5燒結(jié)結(jié)燒結(jié)是利利用熱能能使坯體體轉(zhuǎn)變?yōu)闉榫哂心衬撤N顯微微組織結(jié)結(jié)構(gòu)的致致密陶瓷瓷體的工工藝過程程。2.3.5.1 燒結(jié)理理論要點點與燒結(jié)結(jié)過程為了理解解燒結(jié)原原理，自自覺執(zhí)行行燒結(jié)工工藝，這這里先簡簡要介紹紹燒結(jié)理理論要點點和固相相燒結(jié)過過程。2.3.5.2燒結(jié)理理論要點點根據(jù)燒結(jié)結(jié)的熱力力學和動動力學研研究，其其理論要要點有：燒結(jié)是一一個過程程，且具具有階段段性；燒燒結(jié)一般般分為固固相燒結(jié)結(jié)和液相相燒結(jié)兩兩大類型型。燒結(jié)過程

36、程有其發(fā)發(fā)生發(fā)展展原因（熱力學學驅(qū)動力力）。外因：外外部給予予的熱能能；內(nèi)因因：瓷料料總界面面能的減減少。燒結(jié)過程程中存在在物質(zhì)傳傳遞。傳傳質(zhì)模型型和機理理主要有有：流動；擴散；蒸發(fā)與與凝聚；溶解與與沉淀等等。具體的燒燒結(jié)過程程或階段段的快慢慢決定于于致密化化速率（生長動動力學方方程）。2.3.5.3固相燒燒結(jié)過程程與階段段圖16示示意了固固相燒結(jié)結(jié)過程與與階段，以下加加以分析析說明。圖16 不同燒燒結(jié)階段段晶粒排排列過程程圖17 PZTT系壓電電陶瓷燒燒結(jié)階段段對致密密性的影影響(1) 初期期階段（顆粒結(jié)結(jié)合階段段，10050以前）相互接觸觸的顆粒粒通過擴擴散使物物質(zhì)向頸頸部遷移移，導致致顆

37、粒中中心接近近，大顆顆粒長大大，小顆顆粒減小小或消失失，氣孔孔形狀改改變并發(fā)發(fā)生坯體體收縮，如圖116、18、19所示示。繼續(xù)續(xù)擴散，相鄰的的晶界相相交并形形成網(wǎng)絡(luò)絡(luò)，為連連續(xù)貫通通狀態(tài)。圖18 燒結(jié)中中雙晶粒粒結(jié)合示示意圖圖19燒燒結(jié)中多多晶粒結(jié)結(jié)合示意意圖該階段晶晶粒平均均粒徑小小、結(jié)構(gòu)構(gòu)松疏、線收縮縮小。（2）中中期階段段（晶粒粒生長階階段，11050012200）晶粒成長長是坯體體中晶界界移動的的結(jié)果，如圖220、21所示示。彎曲曲的晶界界總是向向曲率中中心移動動，曲率率半徑愈愈小，移移動愈快。邊邊數(shù)大于于六邊的的晶粒易易長大，小于六六邊的晶晶粒則易易被吞并并，晶界界交角為為1200的

38、六六邊形（晶粒截截面）的的晶粒最最為穩(wěn)定定。該階階段線收收縮和體體密度顯顯著增加加，顯氣氣孔率大大幅度降降低，氣氣孔由連連續(xù)貫通通變?yōu)楣鹿铝顟B(tài)態(tài)。在第第二相包包裹物（晶界中中雜質(zhì)、氣孔等等）的阻阻礙下，晶粒逐逐漸減緩緩。圖20 燒結(jié)中中晶界移移動示意意圖圖21 燒結(jié)中中期多晶晶體界面面移動情情況（3）末末期階段段（晶粒粒校正階階段，112000最佳燒燒結(jié)溫度度）晶粒緩慣慣校正性性長大，直至達達到較理理想的燒燒結(jié)程度度。同時時，大部部分氣孔孔從晶界界排出體體外，余余下氣孔孔體積縮縮小，最最后變成成彼此孤孤立、互互不連通通的閉口口氣孔。這種氣氣孔一般般處于多多個晶粒粒的交界界處，其其內(nèi)部壓壓力高

39、，進一步步排除困困難。（4）過過燒和二二次晶粒粒長大1）過燒燒在達到最最佳燒結(jié)結(jié)溫度后后，繼續(xù)續(xù)升高溫溫度，則則晶界運運動加劇劇，二次次粒長大大量出現(xiàn)現(xiàn)，閉口口氣孔膨膨脹、裂裂開，密密度下降降的現(xiàn)象象，稱為為過燒。過過燒后的的瓷件性性能低下下，要加加以控制制。2）二次次晶粒長長大當晶粒的的正常長長大由于于包裹物物阻礙而而停止時時，燒結(jié)結(jié)體內(nèi)可可能有少少數(shù)晶粒粒特別大大，邊數(shù)數(shù)多，晶晶界曲率率也較大大。在一一定的條條件下，它們能能越過包包裹物而而繼續(xù)反反常長大大。這種種現(xiàn)象稱稱為二次次晶粒長長大。造成二次次晶粒長長大的原原因，是是由于：瓷料本本身不均均勻，有有少數(shù)大大晶粒存存在；成型壓壓力不均均

40、勻，造造成局部部晶粒易易長大；燒成溫溫度過高高，加劇劇大晶粒粒生長；局部有有不均勻勻的液相相存在，促進了了粒長等等。另外外，當起起始瓷料料粒徑大大時，相相應的晶晶粒生長長就??；當瓷料料粒度極極細時，活性大大，燒結(jié)結(jié)溫區(qū)窄窄，常易易在小晶晶粒基相相中出現(xiàn)現(xiàn)大的晶晶粒。2.3.5.4燒結(jié)條條件2.3.5.4.1制定定燒結(jié)條條件的依依據(jù)燒結(jié)條件件主要由由四個方方面組成成：升溫速速度；最高燒燒結(jié)溫度度；保溫時時間；降溫速速度和冷冷卻方式式。制定合理理的燒結(jié)結(jié)條件的的一般原原則是：以最經(jīng)經(jīng)濟的方方式（看看效率、成本等等經(jīng)濟指指標），燒出高高質(zhì)量的的瓷料（看性能能等技術(shù)術(shù)指標）。制定合理理條件的的依據(jù)是是

41、：材料的的相圖組組成相溫度關(guān)關(guān)系）；綜合熱熱分析（失重、脹縮、熱差）數(shù)據(jù)；瓷料燒燒結(jié)線收收縮或體體積密度度；顯微組組織結(jié)構(gòu)構(gòu)分析；制品電電性能數(shù)數(shù)據(jù)。2.3.5.4.2燒結(jié)結(jié)條件的的確定確定燒結(jié)結(jié)條件要要重點關(guān)關(guān)注兩個個方面的的關(guān)系：一是燒燒結(jié)條件件與瓷料料組織結(jié)結(jié)構(gòu)、性性能的關(guān)關(guān)系；二二是燒結(jié)結(jié)條件與與坯體形形狀尺寸寸的關(guān)系系。以下下加以分分別說明明。（1）燒燒結(jié)溫度度 PZTT系陶瓷瓷元件的的燒結(jié)溫溫度，主主要取決決于配方方的化學學組成、瓷料粒粒度、坯坯體的形形狀尺寸寸、成型型方式、升溫速速度和保保溫時間間等。最最佳燒成成，一般般都是在在試燒時時，分別別測定各各種不同同燒結(jié)溫溫度下元元件的

42、收收縮、密密度、組組織結(jié)構(gòu)構(gòu)和電性性能參數(shù)數(shù)，綜合合比較而而確定的的。一般說來來，燒結(jié)結(jié)溫度范范圍較寬寬（30）的瓷瓷料，應應在燒結(jié)結(jié)的上限限溫度進進行燒結(jié)結(jié)，但保保溫時間間不宜過過長；燒燒結(jié)溫度度范圍較較窄（10）的瓷瓷料，則則在下限限溫度進進行燒結(jié)結(jié)；并可可適當延延長保溫溫時間。（2）升升溫速度度和保溫溫時間當升溫速速度較快快（3000/h左右右）時，燒結(jié)溫溫度就宜宜偏上限限，保溫溫時間不不宜延長長；當升升溫速度度較慢（2000/h左右右）時，燒結(jié)溫溫度就宜宜偏下限限，保溫溫時間可可適當延延長。鑒于PbbO在高高溫下易易揮發(fā)，形狀簡簡單的小小尺寸坯坯件，較較快速度度升溫和和短期保保溫（1h

43、）。但大大件且外外形復雜雜的坯件件，則應應適當變變慢升溫溫速度和和延長保保溫時間間，且力力求密封封燒結(jié)，以使制制品燒結(jié)結(jié)均勻，避免失失鉛。（3）降降溫速度度和冷卻卻方式降溫速度度和冷卻卻方式主主要取決決于坯件件形狀尺尺寸和燒燒結(jié)爐的的構(gòu)造。一般中中小型坯坯件都可可以采用用停電隨隨爐自然然冷卻的的方式。形狀簡簡單的小小型坯件件，為了了使晶粒粒細化，避免還還原發(fā)黑黑，可微微開爐門門，通過過空氣冷冷卻；也也可采取取抽風降降溫快冷冷方式，到8550以下再再進行隨隨爐自然然冷卻。形狀復復雜的大大型坯件件，一般般控制在在1000/h的降降溫速度度冷卻，以免變變形開裂裂。2.3.5.5燒結(jié)工工藝步驟驟與質(zhì)量

44、量判斷2.3.5.5.1燒結(jié)結(jié)步驟（1）燒燒結(jié)前準準備工作作1）檢查查：燒結(jié)爐爐發(fā)熱體體好壞、熱電偶偶位置、電流電電壓的平平衡、保保溫性能能等爐況況；燒結(jié)耐耐火配件件，如坩坩堝與蓋蓋的完好好、配合合、吸鉛鉛程度，匣缽好好壞程度度等。2)裝堝堝、裝缽缽和進爐爐，如圖圖22所示示。進爐爐應平穩(wěn)穩(wěn)輕輕推推進，以以免堆疊疊的坯體體錯動。圖22 裝缽示示意圖（2）設(shè)設(shè)置燒結(jié)結(jié)程序按工藝規(guī)規(guī)定的燒燒結(jié)條件件在控溫溫儀上設(shè)設(shè)置燒結(jié)結(jié)程序，通電加加熱燒結(jié)結(jié)。（3）定定期觀察察、調(diào)整整、記錄錄燒結(jié)爐爐運行狀狀況，并并在接近近最佳燒燒結(jié)溫度度和保溫溫時間，反復檢檢查、測測定、校校正溫度度，防止止溫度的的偏離。（4

45、）保保溫結(jié)束束以后，停電，自然冷冷卻或按按其他降降溫冷卻卻方式冷冷卻。2200以下可出出爐。2.3.5.5.2燒結(jié)結(jié)質(zhì)量的的判斷壓電陶瓷瓷燒結(jié)質(zhì)質(zhì)量的判判斷，除除了測定定致密度度、電性性能和顯顯微組織織結(jié)構(gòu)外外，生產(chǎn)產(chǎn)可采用用更簡單單更直接接的直觀觀判斷法法。根據(jù)據(jù)這種判判斷方法法，較佳佳燒結(jié)質(zhì)質(zhì)量的瓷瓷件應具具備以下特征征：室溫下下顏色：均勻一一致、有有光澤；粘結(jié)現(xiàn)現(xiàn)象:瓷件之之間稍有有粘結(jié)，但易分分開；收縮率率：約112%左左右；墨水擴擴散：不不滲墨水水，無擴擴散現(xiàn)象象；聲響：敲擊時時有清脆脆的金屬屬聲；機械強強度:強度高高，不易易被折斷斷；斷面狀狀況：均均勻、致致密、無無氣孔、斷口呈呈貝

46、殼狀狀，有光光澤；在同一一爐、同同一堝內(nèi)內(nèi)的瓷件件，上述述特征基基本一致致，無明明顯差別別。2.3.5.5影響燒燒結(jié)的主主要因素素（1）原原料的影影響不同規(guī)格格、級別別的原料料含不同同種類和和數(shù)量的的雜質(zhì)，不同產(chǎn)產(chǎn)地、批批次原料料的活性性也不相相同，燒燒結(jié)條件件也會產(chǎn)產(chǎn)生相應應的變化化。（2）鋯鋯鈦比(Zr/Ti)影響隨Zr/Ti的的增加，燒結(jié)溫溫度隨之之增高，甚至難難以燒結(jié)結(jié)。（3）添添加物的的影響影響燒結(jié)結(jié)的添加加物主要要有以下幾類類：產(chǎn)生AA位缺陷陷的“軟性”添加物物（如LLa3+,Nbb5+等）。利于于離子擴擴散，燒燒結(jié)溫度度范圍擴擴大，提提高燒結(jié)結(jié)速度。產(chǎn)生OO空位的的“硬性”添加物物（如NNa+,Fee3+,SSc3+等）。使晶格格收縮，不利于于離子擴擴散，較較難燒結(jié)結(jié)。小半徑徑等價取取代A位離子子的取代代物（如如Sr2+等）。使A位松動動，晶格格畸變而而有利于于離子擴擴散，易易于燒結(jié)結(jié)。生成液液相的添添加物（如 SSiO22,Bii2O3等）。在坯體體中長生生液相，離子易易于擴散散，可降降低燒結(jié)結(jié)溫度。能限制制晶粒長長大的晶晶界分凝凝添加物物（如FFe3+,All3+,CCr3+,Nii3+等）。該類類添加物物一部分分固溶于于晶格起起改