压电陶瓷的生产工艺

压电陶瓷的生产工艺压电陶瓷的生产工艺大致与普通陶瓷的生产工艺相似，但压电陶瓷的生产工艺有自己的特点，所以，在此以PZT即Pb(Zr,Ti)O3系陶瓮为主，介绍压电陶瓷的必要工序及制作方法。压电陶瓷的主要工艺流程:配料——球磨——过滤、干燥——预烧——二次球磨——过滤、干燥——过筛——成型——排塑——烧结——精修——上电极——烧银——极化——测试。01原料处理首先，根据化学反应式配料。所用的原料大多为金属氧化物，少数也可用碳酸盐（预烧时便分解为氧化物）。为使生成压电陶瓷的化学反应顺利进行，要求原料细度一不超过2μm（平均直径）。提高原料纯度，有利于提高产品质量，但这个问题不是绝对的，使用纯度较低廉的原料，选择适当的工艺条件，同样可以生产出性能优良的产品。通常使用转动球磨机或振动球磨机进行原料混合及粉碎。另外，在生产中往往还使用气流粉碎法，用高压气流的强力破碎作用，使粉料形成雾状，由于不用球石，可以避免杂质混入，而且效率提高。预烧中的反应过程：预烧过程一般须经过四个阶段：线性膨胀（室温～400℃),固相反应（400~750℃)，收缩（750~850℃)和晶粒生长（800~900℃以上）。02成型和排塑原料经预烧后，就合成了固溶体化合物。再经一次粉碎，便可成型。成型可根据不同的要求采用轧膜、压型或等静压等方式。成型之前需加入粘合剂。对轧膜的情况，粘合剂一般是粉料质量的15%~20%,对压型的情况只需加5%左右。过多的粘合剂会使制品的致密度降低。成型后生坯中的粘合剂、水分等必须加温排去，称为排塑或排胶。03烧结排塑后的生坯重新装炉烧结。影响烧结的因素很多，首先是配方的化学组成，当配方组成中有足够的活动离子时，烧结容易进行。例如，PZT中锆离子活动性差，所以PZT中锆含量增加，烧结温度升高，烧结困难。添加物对改善压电陶瓷性能和压电陶瓷的烧结起很大作用。“软性”添加物的共同特点是可以使陶瓷性能往“软”的方面变化，也就是提高弹性柔顺系数，降低机械品质因子Qm值，提高介电常数，增大介电损耗。由于“软性”添加物加入固溶体中时形成A位置空位，所以又称为产生A空位添加物。由于烧结过程中形成了阳离子空位，从而大大加速离子扩散过程，促进压电陶瓷烧结。“硬性”添加物是指进入A位置的K+、Na+以及进入B位置的Fe2+、Co2+、Mn2+、Ni2+、Mg2+等金属离子。“硬性”添加物的作用正好与“软性”添加物作用相反，能使压电陶瓷的性能向“硬”的方向发展，也就是说，使介电损耗降低，提高机械品质因子Qm值，提高介电常数。“硬性”添加物所起的作用是主作用，在晶格中，它引起氧空位，使晶胞产生收缩，降低扩散速度，因而使压电陶瓷难以烧结。加入产生液相的添加物（如MgO,MnO等），可降低烧结温度，但烧结温度范围变窄。添加能限制晶粒长大的添加物（如Fe3+,Al3+,Cr3+等），可形成有限固溶体，随着烧结过程的进行，晶格缺陷得到矫正，溶解度降低，使得已固溶的添加物在晶界析出，形成第二相，可以起到抑制晶粒长大的作用，从而提高陶瓷的抗折强度。压电陶瓷的烧成应在氧化气氛中进行。特别是组成中有La3+、Nb5+等添加物时，对它们烧结后往往还要进行氧化处理，以保证产生阳离子空位，使游离电子数目减少，提高压电性能。压电陶瓷烧结过程中PbO的挥发对产品的质量影响很大。由于PbO挥发，破坏了配方的化学组成，导致Pb(Zr,Ti)O3的分解，出现非铁电相ZrO2,使陶瓷内部气孔率增加，难以烧结。04上电极烧成的陶瓷经精修、研磨、清洁后，就可以被覆上电极。被覆电极一般采用涂布银浆烘干，然后装炉，加热到750℃,保温10~20min,使银浆中的氧化银还原为银，并烧渗到陶瓷表面，形成牢固结合层。也可采用真空蒸镀或化学沉积等办法来被电极。被上电极的产品便可进行人工极化处理。05极化压电陶瓷必须经过极化后才有压电性。极化就是在直流电场作用下使电畴沿电场方向取向。