壓電陶瓷的生產(chǎn)工藝

壓電陶瓷的生產(chǎn)工藝壓電陶瓷的生產(chǎn)工藝大致與普通陶瓷的生產(chǎn)工藝相似，但壓電陶瓷的生產(chǎn)工藝有自己的特點，所以，在此以PZT即Pb(Zr,Ti)O3系陶甕為主，介紹壓電陶瓷的必要工序及制作方法。壓電陶瓷的主要工藝流程:配料——球磨——過濾、干燥——預(yù)燒——二次球磨——過濾、干燥——過篩——成型——排塑——燒結(jié)——精修——上電極——燒銀——極化——測試。01原料處理首先，根據(jù)化學(xué)反應(yīng)式配料。所用的原料大多為金屬氧化物，少數(shù)也可用碳酸鹽（預(yù)燒時便分解為氧化物）。為使生成壓電陶瓷的化學(xué)反應(yīng)順利進行，要求原料細度一不超過2μm（平均直徑）。提高原料純度，有利于提高產(chǎn)品質(zhì)量，但這個問題不是絕對的，使用純度較低廉的原料，選擇適當(dāng)?shù)墓に嚄l件，同樣可以生產(chǎn)出性能優(yōu)良的產(chǎn)品。通常使用轉(zhuǎn)動球磨機或振動球磨機進行原料混合及粉碎。另外，在生產(chǎn)中往往還使用氣流粉碎法，用高壓氣流的強力破碎作用，使粉料形成霧狀，由于不用球石，可以避免雜質(zhì)混入，而且效率提高。預(yù)燒中的反應(yīng)過程：預(yù)燒過程一般須經(jīng)過四個階段：線性膨脹（室溫～400℃),固相反應(yīng)（400~750℃)，收縮（750~850℃)和晶粒生長（800~900℃以上）。02成型和排塑原料經(jīng)預(yù)燒后，就合成了固溶體化合物。再經(jīng)一次粉碎，便可成型。成型可根據(jù)不同的要求采用軋膜、壓型或等靜壓等方式。成型之前需加入粘合劑。對軋膜的情況，粘合劑一般是粉料質(zhì)量的15%~20%,對壓型的情況只需加5%左右。過多的粘合劑會使制品的致密度降低。成型后生坯中的粘合劑、水分等必須加溫排去，稱為排塑或排膠。03燒結(jié)排塑后的生坯重新裝爐燒結(jié)。影響燒結(jié)的因素很多，首先是配方的化學(xué)組成，當(dāng)配方組成中有足夠的活動離子時，燒結(jié)容易進行。例如，PZT中鋯離子活動性差，所以PZT中鋯含量增加，燒結(jié)溫度升高，燒結(jié)困難。添加物對改善壓電陶瓷性能和壓電陶瓷的燒結(jié)起很大作用?！败浶浴碧砑游锏墓餐攸c是可以使陶瓷性能往“軟”的方面變化，也就是提高彈性柔順系數(shù)，降低機械品質(zhì)因子Qm值，提高介電常數(shù)，增大介電損耗。由于“軟性”添加物加入固溶體中時形成A位置空位，所以又稱為產(chǎn)生A空位添加物。由于燒結(jié)過程中形成了陽離子空位，從而大大加速離子擴散過程，促進壓電陶瓷燒結(jié)?！坝残浴碧砑游锸侵高M入A位置的K+、Na+以及進入B位置的Fe2+、Co2+、Mn2+、Ni2+、Mg2+等金屬離子。“硬性”添加物的作用正好與“軟性”添加物作用相反，能使壓電陶瓷的性能向“硬”的方向發(fā)展，也就是說，使介電損耗降低，提高機械品質(zhì)因子Qm值，提高介電常數(shù)?！坝残浴碧砑游锼鸬淖饔檬侵髯饔?，在晶格中，它引起氧空位，使晶胞產(chǎn)生收縮，降低擴散速度，因而使壓電陶瓷難以燒結(jié)。加入產(chǎn)生液相的添加物（如MgO,MnO等），可降低燒結(jié)溫度，但燒結(jié)溫度范圍變窄。添加能限制晶粒長大的添加物（如Fe3+,Al3+,Cr3+等），可形成有限固溶體，隨著燒結(jié)過程的進行，晶格缺陷得到矯正，溶解度降低，使得已固溶的添加物在晶界析出，形成第二相，可以起到抑制晶粒長大的作用，從而提高陶瓷的抗折強度。壓電陶瓷的燒成應(yīng)在氧化氣氛中進行。特別是組成中有La3+、Nb5+等添加物時，對它們燒結(jié)后往往還要進行氧化處理，以保證產(chǎn)生陽離子空位，使游離電子數(shù)目減少，提高壓電性能。壓電陶瓷燒結(jié)過程中PbO的揮發(fā)對產(chǎn)品的質(zhì)量影響很大。由于PbO揮發(fā)，破壞了配方的化學(xué)組成，導(dǎo)致Pb(Zr,Ti)O3的分解，出現(xiàn)非鐵電相ZrO2,使陶瓷內(nèi)部氣孔率增加，難以燒結(jié)。04上電極燒成的陶瓷經(jīng)精修、研磨、清潔后，就可以被覆上電極。被覆電極一般采用涂布銀漿烘干，然后裝爐，加熱到750℃,保溫10~20min,使銀漿中的氧化銀還原為銀，并燒滲到陶瓷表面，形成牢固結(jié)合層。也可采用真空蒸鍍或化學(xué)沉積等辦法來被電極。被上電極的產(chǎn)品便可進行人工極化處理。05極化壓電陶瓷必須經(jīng)過極化后才有壓電性。極化就是在直流電場作用下使電疇沿電場方向取向。