可行性方案劉海軍

可行性方案劉海軍正壓電效應：某些材料在機械應力作用下，引起內(nèi)部正負電荷中心相對位移業(yè)與技術(shù)領(lǐng)域。壓電陶瓷的要緊應用領(lǐng)域舉比如表1所示。表1壓電陶瓷的要緊應用領(lǐng)域舉例中的時間與頻率標準信號源電聲換能器聲頻范圍的電聲器件四發(fā)射與接收超聲切割，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，無損探傷與測厚，催化反應，超聲衍射，疾病診斷等各類工水聲換能器水下導航定位，通訊與探測的聲納，超聲探測魚群探測與傳聲器等濾波器通訊廣播中所用各類分立濾波器與復合濾波器，如彩電中頻濾波器；雷達，自控與計算系統(tǒng)所用帶通濾波器，脈沖濾波器等聲表面信號放大器與振蕩器，混頻器，衰減器隔離器等表面波導聲表面波傳輸線六傳感與計測工業(yè)與航空技術(shù)上測定振動體或者飛行器工作狀態(tài)的加速度計，自動操縱開關(guān)，污染檢測用振動計與流速計，流量計與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與熱成像，熱電探測、跟蹤器等位移與致動器光程長的操縱器調(diào)制用于電光與聲光調(diào)制的光閥，光閘，光變頻器與光偏轉(zhuǎn)器，聲開關(guān)等光信息存貯器，光經(jīng)歷器顯示八其它非線性元件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)繼續(xù)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。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與③清況下，當在陶瓷片電極上撤除電信號時，陶瓷片就回復到原先的極化尺寸如圖2中所示。壓電陶瓷片的膨脹與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)取決于陶瓷的形狀與組分、極化軸的取向與電極的取向。圖(4)表示一些陶瓷片的一些形變模式、厚度與表面切變、厚度膨脹與收縮。通常有兩種或者多種作用同時存在。極化過程完成之后，給陶瓷片加上一個壓力與張力就會產(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，或者所2.3壓電陶瓷換能器制造工藝已引入了降低電導率與老化率的高價施主雜質(zhì)，原料中在0.5%以內(nèi)的雜質(zhì)要求低機電損耗，因而配料中的雜質(zhì)總量，愈少愈好即要求純度均在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，通常均在3%下列，即要求純度均在97%以上，特殊要求例外。(3)穩(wěn)固性與活潑性穩(wěn)固性是指未進行固相反應前原料本身的穩(wěn)固性。如堿金屬與堿土金屬氧化物易與水作用，在空氣中不易儲存，不穩(wěn)固。如Na、Ca、Ba、Sr、Mg的氧化物，不宜使用。宜使用與水不起作用、穩(wěn)固的、加熱又能分解出活潑性大的新鮮氧化物的相應的碳酸鹽。如Na?CO?、CaCO?、SrCO?、BaCO?、MgCO?等。活潑性是指在固相反應中原料本身的活潑性?；顫娦院玫脑夏艽偈构滔喾磻耆?，利于降低合成溫度，減少鉛揮發(fā)。如Pb?O?原料比PbO原料活潑性好。因其在加熱中可分解脫氧成新鮮活潑性大的PbO。原料顆粒度要求小于0.2μm,微量添加物應更細。這樣，可增加混料接觸面積，利于互擴散反應，使構(gòu)成均勻，性能良好。另外，還可減小陶瓷內(nèi)應力，增在原料的處理方面，有下列常用方法：壓電陶瓷使用的原料，若顆粒較粗時，如MnO?、出廠未細磨的ZrO?等，務必細磨?？刹扇≌衲?、球磨、行星磨等，小量原料也可用研缽研細。為了不影響配料的準確性，含水原料務必進行烘干脫水處理。通常在電熱式干燥箱中干燥。溫度110~120℃,時間很多于4小時，直至無水分為止。在大批量生產(chǎn)壓電陶瓷時，每批購進的原料，因制造或者分裝的廠商不一致、批次的不一致，其質(zhì)量可能不一致。因此，應抽樣化驗其純度或者雜質(zhì)，檢測其顆粒度，以保證壓電陶瓷的性能。2.3.1.2配方計算與稱料壓電陶瓷材料的配方計算通常有兩種方法：1)由原料的重量比來計算配方的方法①寫出配方的化學分子式該方法適合于配方中以重量百分比給出添加物的情形。2)由原料mol數(shù)比例來計算配方的方法①寫出配方的化學分子式③用下列公式計算各原料所需用量式中X為配料總mol數(shù)，其它同上。(2)稱料計算稱料務必達到下列要求：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。④嚴防各原料算錯、稱錯、投錯，要認真檢查，嚴格核對。2.3.2混合與粉碎混合是將稱量好的原料混合均勻、相互接觸，以利于預燒時各原料間充分粉碎是將預燒好的料塊碎細化，達到一定的平均粒度與粒度分布，為成型與燒成制造有利條件。(1)工藝方法使用球磨機(滾筒式、行星式、攪拌式與振動式等球磨機),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者粉碎。磨球靠電動機產(chǎn)生離心力、摩擦力與地心引力的共同作用，形成碰撞、循環(huán)翻動與自轉(zhuǎn)等運動，使介于其中的粉料受到?jīng)_擊與摩擦研磨，從而達到混合與粉具體球磨工藝視不一致球磨機而定，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、效率與成本等)優(yōu)選，也可借鑒有關(guān)工藝參數(shù)。(4)球磨質(zhì)量的要緊影響因素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⑤粉料、球與磨介的比例(視粉料的吸水性、球比重確定)⑦球磨時間(視球磨機類型、進料粒度而定)⑧球磨方式(干法、濕法)2.3.3預燒各相克分子數(shù)各相克分子數(shù)預燒(也稱合成)是通過原料中原子或者離子之間在加熱作用下的擴散來完由圖14中以Pb?O?為原料的差熱曲線可知：①630℃的吸熱效應是因Pb?O?分解為PbO引起，并開始形成PbTiO?,到650℃②790℃是PbO-ZrO?-PbZrO?三元共融液形成溫度，但由于這時大量存在的PT馬上與PZ生成PZT固溶體，因此這也是PZT開始形成的溫度，該反應到850℃基本完成。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。能夠由圖把反應按溫度范圍分成三段，即：PbO+TiO,→PbTiOPbTiO?+PbO+ZrO?→Pb(Zr?Ti)O?Pb(Zi_Ti?)O?+PbTiO?→Pb(Zr_Ti)O?(x>x)(3)預燒工藝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℃前爐門微開，以利排除有機物與水分等，之后關(guān)爐門。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)保溫時間：650℃左右保溫1-2小時，以生成PT。850℃左右保溫2小時，以生成PZT。降溫速率：關(guān)電隨爐冷卻，至200℃下列出爐。爐內(nèi)氣氛：以中性或者氧化氣氛為好；還原氣氛會導致料粉還原發(fā)黑，務必嚴加操縱。硅碳棒爐好于電阻絲爐。(4)預燒瓷料質(zhì)量要求外觀：顏色正常、均勻一致；有一定膨脹或者收縮(視具體配方);硬度適中。化學分析：游離鋯、鈦、鉛少，小于0.5%相分析：為鈣鈦礦相，無雜相。(5)影響預燒的因素①原料活性及顆粒度這說明，固相反應的速度與原料擴散狀況(Do)、活性溫度成正比，而與原料顆粒平均直徑成反比。③升溫速率與保溫時間。④坯料壓緊力。⑤爐內(nèi)溫度均勻性、氣氛等。2.3.4成型與排塑就是在一定溫度下，將成型過程中加入瓷料中的粘合劑(或者塑化劑)排除，并干壓坯體的結(jié)構(gòu)：可看成由液相(粘合劑)層、空氣、瓷料顆粒構(gòu)成的三相1)加壓方式2)壓力對不一致瓷料、不一致形狀制品，壓強由實驗確定。通常在1-1)粘合劑對成型的作用②增加瓷料的粘結(jié)性，使成型坯體具有一定的機械強度；③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②揮發(fā)溫度范圍寬，能緩慢分散地分解揮發(fā)，避免③揮發(fā)溫度不能太低，以免與水分同時揮發(fā)，造成3)粘合劑的配制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/時)。把1)造粒的作用2)常用造粒方法及特點將瓷料加適量(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，過用破碎機破碎圓餅，直至全部通過20目/時篩即可備用。但產(chǎn)量較小，效率不高，工藝操作要求嚴格，適合于實驗室實驗與中批量生產(chǎn)。③硬度(如HRC57-62);④脫模錐度(通常不小于1%);⑤形狀、尺寸；⑥用材1)粘合劑②用量。過少，不利于成型。過多，排塑后，氣孔多，影響坯體與瓷體密2)團粒性質(zhì)3)加壓制度4)模具(1)排塑的必要性物還原為導電的金屬(如Pb)與半導體性質(zhì)的低價氧化物(如Ti?O?),影響陶瓷1)根據(jù)PVA粘合劑的揮發(fā)性，嚴格操縱排塑的升溫速度與保溫時間。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2)根據(jù)PVA粘合劑的分解特性，操縱排塑氣氛nPb(ZrTi)O?+nCO→nZrO?+nCO?↑+n(3)排塑工藝升溫速度：0-450℃,50℃/h;450-750,150℃/h最高溫度：750℃(600℃前，微開爐門，600℃關(guān)爐門)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(2)燒結(jié)過程有其發(fā)生進展原因(熱力學驅(qū)動力)。(4)具體的燒結(jié)過程或者階段的快慢決定于致密化速率(生長動力學方圖16示意了固相燒結(jié)過程與階段，下列加以分析說明。圖16不一致燒結(jié)階段晶粒排列過程(1)初期階段(顆粒結(jié)合階段，1050℃往常)大，小顆粒減小或者消失，氣孔形狀改變并發(fā)生坯體收縮，如圖16、18、19所圖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(2)中期階段(晶粒生長階段，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)固。該狀態(tài)。在第二相包裹物(晶界中雜質(zhì)、氣孔等)的阻礙下，晶粒逐步減緩。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)末期階段(晶粒校正階段，1200℃一最佳燒結(jié)溫度)(4)過燒與二次晶粒長大1)過燒2)二次晶粒長大制定合理的燒結(jié)條件的通常原則是：以最經(jīng)濟的指標),燒出高質(zhì)量的瓷料(看性能等技術(shù)指標)。制定合理條件的根據(jù)是：①材料的相圖構(gòu)成一相-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)線收縮或者體積密度；④顯微組織結(jié)(1)燒結(jié)溫度但保溫時間不宜過長；燒結(jié)溫度范圍較窄(±10℃)的瓷料，則在下限溫度進行(2)升溫速度與保溫時間當升溫速度較慢(200℃/h左右)時，燒結(jié)溫度就宜偏下限，保溫時間可適當延(3)降溫速度與冷卻方式避免還原發(fā)黑，可微開爐門，通過空氣冷卻；也可采取抽風降溫快冷方式，到2.3.5.5.1燒結(jié)步驟(1)燒結(jié)前準備工作2)裝堝、裝缽與進爐，如圖22所示。進爐應平穩(wěn)輕輕推進，以免堆疊的坯圖22裝示意圖(2)設置燒結(jié)程序(3)定期觀察、