PZT陶瓷制备PZT陶瓷制备.doc

PZT陶瓷制备 一、PZT陶瓷制备的工艺流程 压电陶瓷生产的工艺流程（以传统固相烧结为例）为： 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。 原料处理 首先，根据化学反应式配料。所用的原料大多数是金属氧化物，少数也可以是碳酸盐（预烧时可分解为氧化物）。为使生成压电陶瓷的化学反应顺利进行，要求原料细度一般不超过2μm（平均直径）。提高原料纯度有利于提高产品质量。 通常使用转动球磨机或震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，且效率高。 预烧中的反应过程 预烧过程一般需要经过四个阶段： 线性膨胀（室温—400℃） 固相反应（400—750℃） 收缩（750—850℃） 晶粒生长（800-900℃以上） 在固相反应过程中，反应可分为四个区域，如图1[1]所示，分别对应于如下的化学过程： 区域Ⅰ：未反应； 区域Ⅱ：Pb+TiO2→PbTiO3； 区域Ⅲ：PbTiO3+PbO+ZrO2→Pb(Zr1-xTix)O3； 区域Ⅳ：Pb(Zr1-xTix)O3系统的反应区域+PbTiO3→Pb(Zr1-x’Tix’)O3(x＜x’)。 图1 2PbO-TiO2-ZrO2系统的反应区域 ●—X射线测得点；○化学分析测得点，旁边数字代表已反应的PbO的百分数，烧结时间为零指刚到炉温的时刻；P—正交PbO；Z—单斜ZrO2；T—四方TiO2；PT—四方PbTiO3；PZT—Pb(Zr1-xTix)O3 固定保温时间2h，改变预烧温度，随着温度的升高，在540℃左右，进入区域Ⅱ，形成PbTiO3；在650℃左右，进入区域Ⅲ，TiO2消失，Pb（Zr,Ti）O3形成；在710℃左右，进入区域Ⅳ，PbO和ZrO2消失；到1200℃时，PbTiO3消失，成为单相的Pb（Zr，Ti）O3。图2表示随温度上升各种相变的情况。 图2 2PbO-TiO2-ZrO2系统中各种相与温度的关系 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（常用的粘合剂的配制质量比为：聚乙烯醇15%，甘油7%，酒精3%，蒸馏水75%；在90℃下搅拌溶化）。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、水分等必须进行排塑或排胶。聚乙烯醇的挥发温度为200-500℃，排塑时必须让温度更高些，一般应达到800℃或850℃并保温1h。 上电极 排塑后的生坯重新装炉烧结。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，并渗透到陶瓷表面，形成牢固结合层。也可以采用真空蒸镀或化学沉积等办法来被覆电极。被覆上电极的产品便可进行人工极化处理。 影响烧结的因素 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。 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Qm值，提高介电系数，增大介质损耗，提高Kp，降低矫顽场强，提高体电阻率ρv等。这类添加物包括La3+、Nb3+、Sb3+、Bi3+、Th4+、Nb5+、Ta5+、W6+等金属离子。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+、Al3+、Ga3+、In3+、Cr3+、Sc3+等金属离子。“硬性”添加物的作用恰好与“软性”添加物的作用相反，能使压电陶瓷性能向“硬”的方面变化，也就是说，降低弹性柔顺系数，提高Qm值，降低介电系数，减少介质损耗，稍微降低Kp，提高矫顽场强，减小体电阻率ρv等。“硬性”添加物所起的作用是受主作用。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），可以降低烧结温度，但烧结范围变窄。添加能限制晶粒长大的添加物（如Fe3+、Al3+、Nb5+、Cr3+、Ni3+等），可形成有限固溶体；随着烧结过程的进行，晶格缺陷得到校正，溶解度降低，使得已固熔的添加物在晶界析出，形成第二相，可以抑