壓電陶瓷換能器的可行性初步研究

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)的差不多概念壓電陶瓷：一種能夠?qū)C械能和電能互相轉(zhuǎn)換的功能陶瓷材料，屬于無機非金屬材料。這是一種具有壓電效應(yīng)的材料。正壓電效應(yīng)：某些材料在機械應(yīng)力作用下，引起內(nèi)部正負電荷中心相對位移而發(fā)生極化，導(dǎo)致材料兩端表面出現(xiàn)符號相反的束縛電荷的現(xiàn)象。稱逆壓電效應(yīng)：施加激勵電場，介質(zhì)將產(chǎn)生機械變形的現(xiàn)象。1.2壓電陶瓷的進展現(xiàn)狀及其分類壓電陶瓷是含高智能的新型功能電子材料，隨著材料及工藝的不斷研究和改良，壓電陶瓷的技術(shù)越來越廣，而且隨著電子，信息，航空航天高科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域日新月異的進展，壓電陶瓷材料的制作技術(shù)和應(yīng)用開發(fā)將會越來越受到人們的關(guān)注和重視。壓電陶瓷目前有以下幾種分類：A：一元系壓電陶瓷BaTiO3是典型的陶瓷鐵電體，機電耦合系數(shù)大，制備容易能夠制成任意形狀和任意極化方向的產(chǎn)品等的優(yōu)點。PbTiO3居里溫度高（Tc=490），自發(fā)極化強度是各種鈣鈦礦型晶體結(jié)構(gòu)的鐵電體中最高的，是一種具有熱釋電性和壓電性，能在高溫下使用的壓電陶瓷。B：二元系壓電陶瓷PbZrO3-PbTiO3（PZT）相比一元系具有高耦合，高機械品質(zhì)因數(shù)和高穩(wěn)定性等特征，在使用范圍內(nèi)沒有明顯相變點，可作為濾波器等通信材料，而高耦合，高介電常數(shù)方面的優(yōu)點又明顯擴大了壓電陶瓷的應(yīng)用范圍，不僅能夠作為振子，而且還能夠作為換能器材。C：三元系及多元系壓電陶瓷三元系陶瓷比二元系更具有優(yōu)越的性能，能夠大幅度地調(diào)節(jié)可供選擇的組成成份和壓電性，容易獲得高機電耦合數(shù)的同意型材料。壓電陶瓷的進展趨勢：壓電復(fù)合材料，壓電薄膜，無鉛壓電陶瓷，納米壓電陶瓷等，出現(xiàn)高位移的新型壓電致動器，壓電變壓器，主動減振和降噪的壓電器件，醫(yī)用微型壓電陶瓷傳感器等新器件。壓電陶瓷換能器2.1壓電陶瓷特點及其應(yīng)用分類壓電陶瓷換能器的特點是：致密度高、機械強度高、加工容易、適合大批量生產(chǎn)。通過一些容易實現(xiàn)的加工手段就可制成任何給定的形狀和幾何尺寸。它們的化學(xué)性質(zhì)不爽朗,不易受化學(xué)侵蝕,不受濕汽和其他惡劣氣候條件的阻礙。此外,這些陶瓷的機械定向和電學(xué)定向可與陶瓷的形狀準確取向。壓電陶瓷換能器廣泛應(yīng)用于數(shù)據(jù)處理、信息處理、通訊、聲納、陀螺、水聲器、記步器、激光器、噴墨打印、超聲清洗、超聲焊接、報警、以及燃氣設(shè)備等行業(yè)和技術(shù)領(lǐng)域。壓電陶瓷的要緊應(yīng)用領(lǐng)域舉例如表1所示。表1壓電陶瓷的要緊應(yīng)用領(lǐng)域舉例應(yīng)用領(lǐng)域舉例一電源壓電變壓器雷達，電視顯像管，陰極射線管，蓋克技術(shù)管，激光管和電子復(fù)制機等高壓電源和壓電點火裝置二信號源標準信號源振蕩器，壓電音叉，壓電音片等用作周密儀器中的時刻和頻率標準信號源三信號轉(zhuǎn)換電聲換能器拾聲器，送話器，受話器，揚聲器，蜂鳴器等聲頻范圍的電聲器件四發(fā)射與接收超聲換能器超聲切割，焊接，清洗，攪拌，乳化及超聲顯示等頻率高于20KHz的超聲器件，壓電馬達，探測地質(zhì)構(gòu)造，油井固實程度，無損探傷和測厚，催化反應(yīng)，超聲衍射，疾病診斷等各種工業(yè)用的超聲器件水聲換能器水下導(dǎo)航定位，通訊和探測的聲納，超聲探測，魚群探測和傳聲器等五信號處理濾波器通訊廣播中所用各種分立濾波器和復(fù)合濾波器，如彩電中頻濾波器；雷達，自控和計算系統(tǒng)所用帶通濾波器，脈沖濾波器等放大器聲表面信號放大器以及振蕩器，混頻器，衰減器，隔離器等表面波導(dǎo)聲表面波傳輸線六傳感與計測加速度計壓力計工業(yè)和航空技術(shù)上測定振動體或飛行器工作狀態(tài)的加速度計，自動操縱開關(guān)，污染檢測用振動計以及流速計，流量計和液面計等角速度計測量物體角速度及操縱飛行器航向的壓電陀螺紅外探測計監(jiān)視領(lǐng)空，檢測大氣污染濃度，非接觸式測溫以及熱成像，熱電探測、跟蹤器等位移與致動器激光穩(wěn)頻補償元件，顯微加工設(shè)備及光角度，光程長的操縱器七存貯調(diào)制用于電光和聲光調(diào)制的光閥，光閘，光變頻器和光偏轉(zhuǎn)器，聲開關(guān)等存貯光信息存貯器，光經(jīng)歷器顯示鐵電顯示器，聲光顯示器等八其它非線性元件壓電繼電器2.2壓電陶瓷的極化機理及機電轉(zhuǎn)換壓電陶瓷換能器用陶瓷片的極化過程是壓電陶瓷片的電疇在直流電場作用下定向排列的過程。如圖2所示。圖2壓電陶瓷片的極化效應(yīng)圖二中的①為極化前,②為極化后，a為陶瓷片的厚度(即極化電極之間的尺寸)，b為陶瓷片的電極。壓電陶瓷片極化后,若給陶瓷片施加一個低于極化電壓的交流電信號,陶瓷片就會產(chǎn)生形變,如圖(3)所示。假如外加的交流電信號與極化電壓的極性相同,就會使陶瓷沿著極化軸(即x方向)接著膨脹，而在垂直于極化軸的方向（即y方向）收縮，如圖（3）中的③所示。圖3壓電陶瓷片極化后產(chǎn)生形變圖4壓電陶瓷的差不多變形圖5給陶瓷片加壓力或張力產(chǎn)生一定電壓的交流部電信號若在陶瓷片上施加的交流信號呈極性相反時就會產(chǎn)生相反的作用：沿極化軸（x方向）出現(xiàn)收縮，垂直于極化軸方向（y方向）出現(xiàn)膨脹。如圖（3）中的①所示。在①和③清況下,當(dāng)在陶瓷片電極上撤除電信號時,陶瓷片就回復(fù)到原來的極化尺寸如圖2中所示。壓電陶瓷片的膨脹和收縮作用使陶瓷片發(fā)生變形。兩種作用的組合產(chǎn)生一種總體形變,形變性質(zhì)取決于陶瓷的形狀和組分、極化軸的取向和電極的取向。圖(4)表示一些陶瓷片的一些形變模式、厚度和表面切變、厚度膨脹和收縮。一般有兩種或多種作用同時存在。極化過程完成之后,給陶瓷片加上一個壓力和張力就會產(chǎn)生一個具有一定電壓的交流電信號,見圖5。如圖所示,假如所加的壓力平行于極化軸,或所加張力垂直于極化軸,就會產(chǎn)生一個極性與極化電壓相反的電壓。2.3壓電陶瓷換能器制造工藝壓電陶瓷換能器的制造是通過配料、燒結(jié)、機械加工、表面金屬化、用直流電場進行極化處理而得到。壓電陶瓷的物理、化學(xué)和壓電特性為適合專門的應(yīng)用能夠通過設(shè)計相應(yīng)的壓電陶瓷材料配方并輔以一定的工藝技術(shù)而實現(xiàn)。要得到性能良好的壓電陶瓷，必須掌握它的制作工藝。工藝條件的變化，對壓電性能的阻礙專門大。因此，我們要認識壓電陶瓷的內(nèi)在規(guī)律，設(shè)計合理的制作工藝，嚴格操縱它的操作過程。壓電陶瓷的制作過程要緊包括以下步驟：配料配料排膠成型粉碎混合預(yù)燒排膠成型粉碎混合預(yù)燒機械加工上電極極化測試燒成機械加工上電極極化測試燒成 2.3.1配料原料的選擇和處理原料是制備壓電陶瓷的基礎(chǔ)。選擇原料一般應(yīng)注意其化學(xué)組成和物理狀態(tài)。(1)純度對純度的要求應(yīng)適度。高純原料，價格昂貴，燒結(jié)溫度高，溫區(qū)窄。純度稍低的原料，有的雜質(zhì)可起礦化和助熔的作用，反而使燒結(jié)溫度較低，且溫區(qū)較寬。過低純度原料雜質(zhì)多，不宜采納。(2)雜質(zhì)含量壓電陶瓷材料中雜質(zhì)同意量要緊依照以下三點因素決定：1)雜質(zhì)類型①有害雜質(zhì)對材料絕緣、介電性等阻礙極大的雜質(zhì)，特不是異價離子。如B、C、P、S、Al等，愈少愈好。②有利雜質(zhì)與材料A、B位離子電價相同、半徑接近，能形成置換固溶的雜質(zhì)。如Ca2+、Sr2+、Ba2+、Mg2+、Sn4+、Hf4+等離子，一般在0.2~0.5%范圍內(nèi)，壞的阻礙不大，甚至有利。2)材料類型①接收型壓電陶瓷材料已引入了降低電導(dǎo)率和老化率的高價施主雜質(zhì)，原料中在0.5%以內(nèi)的雜質(zhì)不足以顯著阻礙施主雜質(zhì)的既定作用。②發(fā)射型壓電陶瓷材料要求低機電損耗，因而配料中的雜質(zhì)總量，愈少愈好，一般希望在0.05%以下。關(guān)于為了提高其它性能參數(shù)的有意添加物，另當(dāng)不論。3)原料在配方中的比例在PZT配方中，比例大的原料Pb3O4、ZrO2、TiO2分不占重量比的60%、20%、10%左右，若雜質(zhì)多，引入雜質(zhì)總量也多。因此，要求雜質(zhì)總含量均不超過2%，即要求純度均在98%以上。配方中比例小的其它原料，雜質(zhì)總含量可稍高一些，一般均在3%以下，即要求純度均在97%以上，專門要求例外。(3)穩(wěn)定性與爽朗性穩(wěn)定性是指未進行固相反應(yīng)前原料本身的穩(wěn)定性。如堿金屬和堿土金屬氧化物易與水作用，在空氣中不易保存，不穩(wěn)定。如Na、Ca、Ba、Sr、Mg的氧化物，不宜采納。宜采納與水不起作用、穩(wěn)定的、加熱又能分解出爽朗性大的新奇氧化物的相應(yīng)的碳酸鹽。如Na2CO3、CaCO3、SrCO3、BaCO3、MgCO3等。爽朗性是指在固相反應(yīng)中原料本身的爽朗性。爽朗性好的原料能促使固相反應(yīng)完全，利于降低合成溫度，減少鉛揮發(fā)。如Pb3O4原料比PbO原料爽朗性好。因其在加熱中可分解脫氧成新奇爽朗性大的PbO。(4)顆粒度原料顆粒度要求小于0.2μm，微量添加物應(yīng)更細。如此，可增加混料接觸面積，利于互擴散反應(yīng)，使組成均勻，性能良好。另外，還可減小陶瓷內(nèi)應(yīng)力，增加機械強度等。在原料的處理方面，有以下常用方法：(1)細磨壓電陶瓷采納的原料，若顆粒較粗時，如MnO2、出廠未細磨的ZrO2等，必須細磨。可采取振磨、球磨、行星磨等，小量原料也可用研缽研細。(2)烘干為了不阻礙配料的準確性，含水原料必須進行烘干脫水處理。一般在電熱式干燥箱中干燥。溫度110~120℃，時刻許多于4(3)化學(xué)分析在大批量生產(chǎn)壓電陶瓷時，每批購進的原料，因制造或分裝的廠商不同、批次的不同，其質(zhì)量可能不同。因此，應(yīng)抽樣化驗其純度或雜質(zhì)，檢測其顆粒度，以保證壓電陶瓷的性能。配方計算與稱料(1)配方計算壓電陶瓷材料的配方計算通常有兩種方法：由原料的重量比來計算配方的方法寫出配方的化學(xué)分子式寫出所用原料的分子式、純度，并查出其分子量(mol質(zhì)量)用以下公式計算各原料所需用量(i=1，2，…，n)(1)式中xi為原料的mol數(shù)，Mi為其mol質(zhì)量，xiMi為其質(zhì)量，Pi為其純度；為配方總質(zhì)量；W為總配料用量。該方法適合于配方中以重量百分比給出添加物的情形。由原料mol數(shù)比例來計算配方的方法寫出配方的化學(xué)分子式寫出所用原料的分子式、純度，并查出其分子量(mol質(zhì)量)用以下公式計算各原料所需用量(i=1，2，…，n)(2)式中X為配料總mol數(shù)，其它同上。該方法計算比較簡單，特不是配方中以mol百分比給出添加物時，常用此法。(2)稱料計算稱料必須達到以下要求：①稱料天平須有一定精度。批量生產(chǎn)中，大料用0.1﹪克精度天平，小料用0.01﹪克精度天平。稱料前，校準零點。②稱料既要誤差小，又要速度快，以減少原料汲取空氣中水分而造成的誤差。③稱料與投料按大料小料大料順序，以保證小料在混合中的均勻性。嚴防各原料算錯、稱錯、投錯，要認真檢查，嚴格核對。2.3.2混合和粉碎混合是將稱量好的原料混合均勻、相互接觸，以利于預(yù)燒時各原料間充分的化學(xué)反應(yīng)。粉碎是將預(yù)燒好的料塊碎細化，達到一定的平均粒度和粒度分布，為成型和燒成制造有利條件。(1)工藝方法使用球磨機(滾筒式、行星式、攪拌式和振動式等球磨機)，加磨球(鋼球、瑪瑙球、鋯球等)與介質(zhì)(水、酒精等)，對原料進行機械混合或粉碎。(2)工藝原理磨球靠電動機產(chǎn)生離心力、摩擦力和地心引力的共同作用，形成碰撞、循環(huán)翻動和自轉(zhuǎn)等運動，使介于其中的粉料受到?jīng)_擊和摩擦研磨，從而達到混合與粉碎細化。(3)球磨工藝具體球磨工藝視不同球磨機而定，其合理的工藝參數(shù)要通過實驗結(jié)果(球磨后混合均勻程度、粉料粒度大小與分布、混雜量、效率和成本等)優(yōu)選，也可借鑒相關(guān)工藝參數(shù)。(4)球磨質(zhì)量的要緊阻礙因素①球磨機轉(zhuǎn)速（視球磨機類型、球磨罐大小等確定）②球磨罐(直徑、內(nèi)襯材料等)③磨球(比重、硬度、形狀、磨損率)④粉料填充量(60%左右)⑤粉料、球與磨介的比例（視粉料的吸水性、球比重確定）⑥磨介的作用(粘附、劈裂、流淌、分散等)⑦球磨時刻（視球磨機類型、進料粒度而定）⑧球磨方式(干法、濕法)2.3.3預(yù)燒預(yù)燒(也稱合成)是通過原料中原子或離子之間在加熱作用下的擴散來完成固相化學(xué)反應(yīng)，生成瓷料的過程。(1)預(yù)燒的目的①使各原料的固相化學(xué)反應(yīng)充分均勻，生成組成固定的固溶體，形成主晶相。②排除原料中的二氧化碳和水分等，減小坯體的燒成收縮、變形，以便于操縱產(chǎn)品外形尺寸。(2)PZT壓電瓷料的合成過程分析壓電瓷料的合成過程是理解與制定預(yù)燒工藝的基礎(chǔ)。關(guān)于PZT瓷料的合成過程，人們通過差熱分析、化學(xué)分析、X射線分析等手段獲得的結(jié)果見圖14所示。圖14PZT形成的差熱曲線圖15PZT合成時各相的變化由圖14中以Pb3O4為原料的差熱曲線可知：①630℃的吸熱效應(yīng)是因Pb3O4分解為PbO引起，并開始形成PbTiO3，到650℃形成PbTiO②790℃是PbO—ZrO2—PbZrO3三元共融液形成溫度，但因為這時大量存在的PT立即與PZ生成PZT固溶體，因此這也是PZT開始形成的溫度，該反應(yīng)到850圖15表示保溫2小時，PZT合成過程中各相隨溫度變化的情況。能夠由圖把反應(yīng)按溫度范圍分成三段，即：反應(yīng)A：350—680反應(yīng)B：625—800反應(yīng)C：800℃(3)預(yù)燒工藝1)裝缽將混合干燥后的粉料裝入缽內(nèi)，并壓緊、扎孔、加蓋、入爐。500℃2)加熱條件(以典型PZT為例)升溫速率：視爐內(nèi)裝料多少而定。最高溫度：850℃左右(視配方而變化保溫時刻：650℃左右保溫1-2小時，以生成PT850℃左右保溫2小時，以生成PZT。降溫速率：關(guān)電隨爐冷卻，至200℃爐內(nèi)氣氛：以中性或氧化氣氛為好；還原氣氛會導(dǎo)致料粉還原發(fā)黑，必須嚴加操縱。硅碳棒爐好于電阻絲爐。(4)預(yù)燒瓷料質(zhì)量要求外觀：顏色正常、均勻一致；有一定膨脹或收縮(視具體配方)；硬度適中。化學(xué)分析：游離鋯、鈦、鉛少，小于0.5%相分析：為鈣鈦礦相，無雜相。(5)阻礙預(yù)燒的因素①原料活性及顆粒度其制約關(guān)系有式中，t為固相反應(yīng)完全所需時刻；r為顆粒直徑；D0為擴散頻率因子；Q為激活能；T為溫度；k為常數(shù)。這講明，固相反應(yīng)的速度與原料擴散狀況(D0)、活性()、溫度成正比，而與原料顆粒平均直徑成反比。②合成溫度(以上已講明)。③升溫速率和保溫時刻。④坯料壓緊力。⑤爐內(nèi)溫度均勻性、氣氛等。2.3.4成型與排塑成型確實是將瓷料壓制成所需要的形狀規(guī)格的坯體，并為燒結(jié)制造條件。排塑確實是在一定溫度下，將成型過程中加入瓷料中的粘合劑（或塑化劑）排除，并使坯體具有一定的機械強度。成型坯體成型的方式和方法專門多，如壓力成型法、可塑成型法和漿料成型法等，每大類成型法中又可分為若干具體成型方法。能夠依照制品的形狀、規(guī)格、大小來選擇使用，但各有利弊。那個地點僅介紹廣泛采納的干壓成型法。干壓成型是將通過造粒的瓷料裝入一定形狀的鋼模內(nèi)，借助于模塞，在一定外力下壓制成坯體。干壓成型原理在外力作用下，瓷料顆粒在模具內(nèi)相互靠近，并借助內(nèi)部作用力牢固地把各顆粒聯(lián)系起來，成為保持一定形狀的坯體。干壓坯體的結(jié)構(gòu)：可看成由液相（粘合劑）層、空氣、瓷料顆粒組成的三相結(jié)合體系。內(nèi)部作用力及其物理機制：①顆粒接觸鑲嵌引起的嚙合力；②粘合劑在顆粒間微孔中的無細管壓力；③顆粒間、粘合劑和顆粒間的分子引力；④接觸物間電荷轉(zhuǎn)移引起的靜電吸引力。成型條件選擇的一般原則加壓方式干壓成型一般分單向加壓和雙向加壓兩種方式。較薄制品可采納單向加壓方式；厚制品宜采納雙向加壓，以使坯體內(nèi)密度較均勻。壓力對不同瓷料、不同形狀制品，壓強由實驗確定。一般在1-3T/cm3范圍，以保證坯體密度均勻地達到5.4-5.7g/cm3。加壓速度和保壓時刻關(guān)于較大體積坯體，加壓必須緩慢，達到最大壓力后，需保壓一定時刻，以利于排除坯體中的空氣，防止分層和裂紋。對薄小坯體，加壓可較快，保壓幾秒鐘即可。粘合劑的使用1）粘合劑對成型的作用給予瓷料以可塑性，便于成型，且坯體具有較高的、均勻的致密度；增加瓷料的粘結(jié)性，使成型坯體具有一定的機械強度；減少瓷料與模壁間的摩擦力，便于脫模，減小分層裂紋現(xiàn)象。2）壓電陶瓷制品對粘合劑的要求①有足夠的粘結(jié)性；②揮發(fā)溫度范圍寬，能緩慢分散地分解揮發(fā)，幸免快速集中揮發(fā)引起坯體開裂；③揮發(fā)溫度不能太低，以免和水分同時揮發(fā)，造成坯體變形或開裂，但也不能太高，引起鉛等揮發(fā)；④加熱揮發(fā)后，無殘留雜質(zhì)，以免阻礙制品的性能。3）粘合劑的配制粘合劑的品種專門多，壓電瓷料干壓成型使用聚乙烯醇（PVA）的比較多，無毒，且差不多能滿足上述要求。以下介紹其典型配方、特點及制法。①5%濃度的PVA水溶液，配方簡單，成本低，但存放期短（10天以內(nèi)）。②PVA：甘油：酒精：蒸餾水=15：7：3：75（wt%）。粘度較大，存放期較長，不易變質(zhì)，但較低溫度下過稠，不宜采納。配制：混合，90℃造粒造粒是將瓷料混合粘結(jié)劑后，制成流淌性好的較粗顆粒（約20目/吋）。把這種顆粒稱為團粒，以示區(qū)不。造粒的作用因細磨后的瓷粉細且輕、比表面積大、占據(jù)體積大，從而流淌性差、裝填密度和壓實密度不高。因此造粒的作用就在于均勻瓷粉中的粘合劑、增加其顆粒度、比重和流淌性，使成型坯體致密度提高。常用造粒方法及特點①一般手工造粒法將瓷料加適量（如4-5wt%）的5%濃度PVA水溶液粘合劑，在研缽內(nèi)手工細混均勻，然后過篩即可。該法操作簡單，但勞動強度大，混合難以均勻，團粒質(zhì)量不高，效率低，僅適合實驗室和小量生產(chǎn)。②加壓造粒法將瓷料加入4-5wt%的5%濃度PVA水溶液粘合劑，在混料機中攪研均勻，過20目/吋篩。然后在液壓機上用壓模以180-250kg/cm2壓力保壓1分鐘壓成圓餅。用破裂機破裂圓餅，直至全部通過20目/吋篩即可備用。該法團粒密度大，坯體機械強度高，能滿足各種大型和異型制品成型要求。但產(chǎn)量較小，效率不高，工藝操作要求嚴格，適合于實驗室實驗和中批量生產(chǎn)。③噴霧干燥造粒法將混合粘合劑的瓷料先做成料漿，再經(jīng)噴霧干燥機進行霧化干燥造粒，并收集備用。團粒粗細可由霧化相關(guān)條件操縱。該法顆粒為球狀、流淌性好、質(zhì)量好、且產(chǎn)量大、連續(xù)生產(chǎn)、效率高，勞動強度小和條件得到改善。宜于大批量生產(chǎn)，但設(shè)備成本高。模具設(shè)計模具的設(shè)計以制品的形狀、尺寸、壓力、粉料壓縮化、燒結(jié)收縮率、粗糙度等為依據(jù)，設(shè)計模具：①配合精度（如三級精度配合）；②光潔度（如工作面▽10）；③硬度（如HRC57-62）；④脫模錐度（一般不小于1%）；⑤形狀、尺寸；⑥用材（工具鋼，如Cr12鋼）等。阻礙成型質(zhì)量的因素粘合劑以PVA粘合劑為例，要緊阻礙因素有：①聚合度n。n過大，鏈節(jié)長，粘結(jié)力和彈性大，不利于造粒和成型；n過小，鏈節(jié)輕，彈性和粘結(jié)力小，起不到粘合劑作用。n一般選1750±50較合適。②用量。過少，不利于成型。過多，排塑后，氣孔多，阻礙坯體和瓷體密度及機電性能團粒性質(zhì)要緊包括粒形、粒度、粒度分布、密度等對流淌性、裝填密度和壓實密度的阻礙。加壓制度包括加壓方式、成型壓力、加壓速度和保壓時刻對成型質(zhì)量的阻礙。模具模具陰陽件的配合精度、光潔度、脫模錐度等對成型坯體有重要的阻礙。2.3.5排塑（1）排塑的必要性成型坯體中粘合劑是一種高分子化合物，含碳多，碳在氧氣不足時燃燒產(chǎn)生還原性專門強的一氧化碳。一氧化碳奪取PZT中的氧而形成二氧化碳，使金屬氧化物還原為導(dǎo)電的金屬（如Pb）和半導(dǎo)體性質(zhì)的低價氧化物（如Ti2O3），阻礙陶瓷的顏色、成瓷性、燒銀、極化和最終性能。因此，在燒結(jié)前，必須對坯體進行排塑。（2）排塑的差不多要求1）依照PVA粘合劑的揮發(fā)性，嚴格操縱排塑的升溫速度和保溫時刻。在排除PVA粘合劑過程中，100℃左右（隨坯體厚度增加而增加）是水分的揮發(fā)，200-500℃是PVA的揮發(fā)溫區(qū)。如此，100℃2）依照PVA粘合劑的分解特性，操縱排塑氣氛PVA粘合劑加熱分解及氧不足情況下對PZT作用的反應(yīng)式有：如此，PZT坯體發(fā)生了不同程度的還原反應(yīng)，將導(dǎo)致的結(jié)果有：燒結(jié)時不易結(jié)晶成瓷，顏色不正常；燒銀時發(fā)生滲銀發(fā)黑，極化時則難以加上電壓；陶瓷電性能惡化等。因此，必須確保使排塑爐內(nèi)有充足的氧氣氛。（3）排塑工藝將坯體裝入透氣性好的耐火槽板中，推入氧氛好的排塑爐內(nèi)，按一定加熱制度排塑。典型例如下：升溫速度：0—450℃，50℃/h；450—750，最高溫度：750℃（600℃前，微開爐門，保溫時刻：1h冷卻方式：關(guān)電源隨爐冷卻。2.3.5燒結(jié)燒結(jié)是利用熱能使坯體轉(zhuǎn)變?yōu)榫哂心撤N顯微組織結(jié)構(gòu)的致密陶瓷體的工藝過程。燒結(jié)理論要點與燒結(jié)過程為了理解燒結(jié)原理，自覺執(zhí)行燒結(jié)工藝，那個地點先簡要介紹燒結(jié)理論要點和固相燒結(jié)過程。燒結(jié)理論要點依照燒結(jié)的熱力學(xué)和動力學(xué)研究，其理論要點有：燒結(jié)是一個過程，且具有時期性；燒結(jié)一般分為固相燒結(jié)和液相燒結(jié)兩大類型。燒結(jié)過程有其發(fā)生進展緣故（熱力學(xué)驅(qū)動力）。外因：外部給予的熱能；內(nèi)因：瓷料總界面能的減少。燒結(jié)過程中存在物質(zhì)傳遞。傳質(zhì)模型和機理要緊有：①流淌；②擴散；③蒸發(fā)與凝聚；④溶解與沉淀等。具體的燒結(jié)過程或時期的快慢決定于致密化速率（生長動力學(xué)方程）。固相燒結(jié)過程與時期圖16示意了固相燒結(jié)過程與時期，以下加以分析講明。圖16不同燒結(jié)時期晶粒排列過程圖17PZT系壓電陶瓷燒結(jié)時期對致密性的阻礙(1)初期時期（顆粒結(jié)合時期，1050℃相互接觸的顆粒通過擴散使物質(zhì)向頸部遷移，導(dǎo)致顆粒中心接近，大顆粒長大，小顆粒減小或消逝，氣孔形狀改變并發(fā)生坯體收縮，如圖16、18、19所示。接著擴散，相鄰的晶界相交并形成網(wǎng)絡(luò)，為連續(xù)貫穿狀態(tài)。圖18燒結(jié)中雙晶粒結(jié)合示意圖圖19燒結(jié)中多晶粒結(jié)合示意圖該時期晶粒平均粒徑小、結(jié)構(gòu)松疏、線收縮小。（2）中期時期（晶粒生長時期，1050—1200℃晶粒成長是坯體中晶界移動的結(jié)果，如圖20、21所示。彎曲的晶界總是向曲率中心移動，曲率半徑愈小，移動愈快。邊數(shù)大于六邊的晶粒易長大，小于六邊的晶粒則易被吞并，晶界交角為120°的六邊形（晶粒截面）的晶粒最為穩(wěn)定。該時期線收縮和體密度顯著增加，顯氣孔率大幅度降低，氣孔由連續(xù)貫穿變?yōu)楣铝顟B(tài)。在第二相包裹物（晶界中雜質(zhì)、氣孔等）的阻礙下，晶粒逐漸減緩。圖20燒結(jié)中晶界移動示意圖圖21燒結(jié)中期多晶體界面移動情況（3）末期時期（晶粒校正時期，1200℃—晶粒緩慣校正性長大，直至達到較理想的燒結(jié)程度。同時，大部分氣孔從晶界排出體外，余下氣孔體積縮小，最后變成彼此孤立、互不連通的閉口氣孔。這種氣孔一般處于多個晶粒的交界處，其內(nèi)部壓力高，進一步排除困難。（4）過燒和二次晶粒長大1）過燒在達到最佳燒結(jié)溫度后，接著升高溫度，則晶界運動加劇，二次粒長大量出現(xiàn)，閉口氣孔膨脹、裂開，密度下降的現(xiàn)象，稱為過燒。過燒后的瓷件性能低下，要加以操縱。2）二次晶粒長大當(dāng)晶粒的正常長大由于包裹物阻礙而停止時，燒結(jié)體內(nèi)可能有少數(shù)晶粒特不大，邊數(shù)多，晶界曲率也較大。在一定的條件下，它們能越過包裹物而接著反常長大。這種現(xiàn)象稱為二次晶粒長大。造成二次晶粒長大的緣故，是由于：①瓷料本身不均勻，有少數(shù)大晶粒存在；②成型壓力不均勻，造成局部晶粒易長大；③燒成溫度過高，加劇大晶粒生長；④局部有不均勻的液相存在，促進了粒長等。另外，當(dāng)起始瓷料粒徑大時，相應(yīng)的晶粒生長就??；當(dāng)瓷料粒度極細時，活性大，燒結(jié)溫區(qū)窄，常易在小晶?；嘀谐霈F(xiàn)大的晶粒。燒結(jié)條件.1制定燒結(jié)條件的依據(jù)燒結(jié)條件要緊由四個方面組成：①升溫速度；②最高燒結(jié)溫度；③保溫時刻；④降溫速度和冷卻方式。制定合理的燒結(jié)條件的一般原則是：以最經(jīng)濟的方式（看效率、成本等經(jīng)濟指標），燒出高質(zhì)量的瓷料（看性能等技術(shù)指標）。制定合理條件的依據(jù)是：①材料的相圖組成—相—溫度關(guān)系）；②綜合熱分析（失重、脹縮、熱差）數(shù)據(jù)；③瓷料燒結(jié)線收縮或體積密度；④顯微組織結(jié)構(gòu)分析；⑤制品電性能數(shù)據(jù)。.2燒結(jié)條件的確定確定燒結(jié)條件要重點關(guān)注兩個方面的關(guān)系：一是燒結(jié)條件與瓷料組織結(jié)構(gòu)、性能的關(guān)系；二是燒結(jié)條件與坯體形狀尺寸的關(guān)系。以下加以分不講明。（1）燒結(jié)溫度PZT系陶瓷元件的燒結(jié)溫度，要緊取決于配方的化學(xué)組成、瓷料粒度、坯體的形狀尺寸、成型方式、升溫速度和保溫時刻等。最佳燒成，一般差不多上在試燒時，分不測定各種不同燒結(jié)溫度下元件的收縮、密度、組織結(jié)構(gòu)和電性能參數(shù)，綜合比較而確定的。一般講來，燒結(jié)溫度范圍較寬（±30℃）的瓷料，應(yīng)在燒結(jié)的上限溫度進行燒結(jié)，但保溫時刻不宜過長；燒結(jié)溫度范圍較窄（±10（2）升溫速度和保溫時刻當(dāng)升溫速度較快（300℃/h左右）時，燒結(jié)溫度就宜偏上限，保溫時刻不宜延長；當(dāng)升溫速度較慢（200℃鑒于PbO在高溫下易揮發(fā)，形狀簡單的小尺寸坯件，較快速度升和氣短期保溫（≤1h）。但大件且外形復(fù)雜的坯件，則應(yīng)適當(dāng)變慢升溫速度和延長保溫時刻，且力求密封燒結(jié)，以使制品燒結(jié)均勻，幸免失鉛。（3）降溫速度和冷卻方式降溫速度和冷卻方式要緊取決于坯件形狀尺寸和燒結(jié)爐的構(gòu)造。一般中小型坯件都能夠采納停電隨爐自然冷卻的方式。形狀簡單的小型坯件，為了使晶粒細化，幸免還原發(fā)黑，可微開爐門，通過空氣冷卻；也可采取抽風(fēng)降溫快冷方式，到850℃以下再進行隨爐自然冷卻。形狀復(fù)雜的大型坯件，一般操縱在100℃燒結(jié)工藝步驟與質(zhì)量推斷.1燒結(jié)步驟（1）燒結(jié)前預(yù)備工作1）檢查：①燒結(jié)爐發(fā)熱體好壞、熱電偶位置、電流電壓的平衡、保溫性能等爐況；②燒結(jié)耐火配件，如坩堝與蓋的完好、配合、吸鉛程度，匣缽好壞程度等。2)裝堝、裝缽和進爐，如圖22所示。進爐應(yīng)平穩(wěn)輕輕推進，以免堆疊的坯體錯動。圖22裝缽示意圖（2）設(shè)置燒結(jié)程序按工藝規(guī)定的燒結(jié)條件在控溫儀上設(shè)置燒結(jié)程序，通電加熱燒結(jié)。（3）定期觀看、調(diào)整、記錄燒結(jié)爐運行狀況，并在接近最佳燒結(jié)溫度和保溫時刻，反復(fù)檢查、測定、校正溫度，防止溫度的偏離。（4）保溫結(jié)束以后，停電，自然冷卻或按其他降溫冷卻方式冷卻。200℃以.2燒結(jié)質(zhì)量的推斷壓電陶瓷燒結(jié)質(zhì)量的推斷，除了測定致密度、電性能和顯微組織結(jié)構(gòu)外，生產(chǎn)可采納更簡單更直接的直觀推斷法。依照這種推斷方法，較佳燒結(jié)質(zhì)量的瓷件應(yīng)具備以下特征：①室溫下顏色：均勻一致、有光澤；②粘結(jié)現(xiàn)象:瓷件之間稍有粘結(jié)，但易分開；③收縮率：約12%左右；④墨水?dāng)U散：不滲墨水，無擴散現(xiàn)象；⑤聲響：敲擊時有清脆的金屬聲；⑥機械強度:強度高，不易被折斷；⑦斷面狀況：均勻、致密、無氣孔、斷口呈貝殼狀，有光澤；⑧在同一爐、同一堝內(nèi)的瓷件，上述特征差不多一致，無明顯差不。阻礙燒結(jié)的要緊因素（1）原料的阻礙不同規(guī)格、級不的原料含不同種類和數(shù)量的雜質(zhì)，不同產(chǎn)地、批次原料的活性也不相同，燒結(jié)條件也會產(chǎn)生相應(yīng)的變化。（2）鋯鈦比(Zr/Ti)阻礙隨Zr/Ti的增加，燒結(jié)溫度隨之增高，甚至難以燒結(jié)。（3）添加物的阻礙阻礙燒結(jié)的添加物要緊有以下幾類：①產(chǎn)生A位缺陷的“軟性”添加物（如La3+,Nb5+等）。利于離子擴散，燒結(jié)溫度范圍擴大，提高燒結(jié)速度。②產(chǎn)生O空位的“硬性”添加物（如Na+,Fe3+,Sc3+等）。使晶格收縮，不利于離子擴散，較難燒結(jié)。③小半徑等價取代A位離子的取代物（如Sr2+等）。使A位松動，晶格畸變而有利于離子擴散，易于燒結(jié)。④生成液相的添加物（如SiO2,Bi2O3等）。在坯體中長生液相，離子易于擴散，可降低燒結(jié)溫度。⑤能限制晶粒長大的晶界分凝添加物（如Fe3+,Al3+,Cr3+,Ni3+等）。該類添加物一部分固溶于晶格起改性作用；一部分