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摘 要：介绍了PZT压电陶瓷元件制备工艺，采用喷雾塔造粒，干压成型，烧结后作机械加工，丝网印银，烧渗银，最后极化；本文对以上系列工艺作了分析和讨论，通过实验得出最佳工艺参数，制备出的压电陶瓷元件致密度高，压电性能优良，得到了客户认可。
关键词：PZT压电陶瓷元件、干压成型、喷雾造粒、丝网印银
1、引言
PZT压电陶瓷由于具有居里温度[1]高、压电性强、易掺杂改性[2]、稳定性好等特点，自20世纪60年代以来，一直是人们关注和研究的热点，在压电陶瓷领域中占主导地位。目前，市场上需求的PZT压电陶瓷元件的型号规格越来越多样化，片状、管状、柱状、条状及梯形状等，大型元件长度或直径可至200mm以上，而小型元件厚度只有0.2mm，甚至0.1mm，对于超长超大或超小超薄等特殊规格的元件来说，必须有更加先进的制备工艺技术。
PZT压电陶瓷元件常用的坯件制备方式，如轧膜成型，操作简单且效率高，但也存在许多不足，密度低，均匀性差，压电性能低；如等静压成型，压制的样品均匀致密且压电性能好，但制作成本太高。而干压成型，不仅制作成本相对低廉，而且各方面性能相对较优，一般软性材料，密度可达7.6×10-3Kg/m3以上，平面机电耦合系数Kp可达0.65左右。采用干压成型制备PZT压电陶瓷坯件，后续的烧结和机械加工，以及上电极和极化工艺也是值得注意的环节，本文针对以上几个关键问题作了分析讨论，同时对PZT压电陶瓷元件制备工艺的改进方向提出了建议。
2、坯件制备
采用干压成型的方式制备坯件，干压成型前应先将粉料造粒，即在粉料中加入占料中约5%的黏合剂，搅拌均匀并过粗筛（如40目筛），再以1t/cm2的压强进行预压块，最后将预压块研碎并过细筛（如30目筛）。造粒的目的不仅使黏合剂更加均匀的分布在粉料中，而且由于颗粒本身已经压紧，压料中空气较少，并较易排出，因此利于成型，使成型样品的密度更加均匀。如果采用喷雾干燥塔来造粒，与人工造粒相比，当然会得到更细更均匀的造粒料。值得注意的是，喷雾造粒的过程中，所加黏合剂的比例、粉料的细度都是需要控制的环节。通过实验，6%～8%的黏合剂含量最佳，粉料的细度一般以可通过20目筛为好。通过喷雾干燥塔造粒出的粉料因未经预压块呈现出更加松散的状态，干压成型时需要更高的压强，但因采用高温喷雾的方法，黏合剂的分布比人工造粒料更加均匀，所以成型样品的密度更高更均匀。
造粒后，利用油压机和模具成型，即制备坯件。成型压强对烧结后产品密度有很大关系，产品的密度也直接影响着PZT压电陶瓷元件的压电性能。成型压强太小，密度小，压强太大时，容易出现裂缝和分层。实验表明，采用手工造粒料成型，一般成型压强为1.0～1.5 t/cm2，采用喷雾造粒料成型，一般成型压强为1.5～2.0 t/cm2。
3、瓷件烧结和机械加工
干压成型后的坯件，需要通过高温烧结[3]才能成瓷。烧结是颗粒重排靠近，使材料致密化以及晶粒生长的过程，过高的烧结温度使陶瓷晶粒生长过大或组织机构不均匀，而烧结温度过低则会导致晶粒发育不完全，这些都会导致PZT压电陶瓷元件的压电性能受到影响。在工艺上，我们通常采用计算收缩率的方式来判断烧结情况。实验表明，采用手工造粒料成型的坯件，烧结后收缩率一般为12%～13%，采用喷雾造粒料成型的坯件，烧结后收缩率一般为13%～14%。一般来说，烧结温度适当的瓷件，收缩率正常，瓷件间不粘结或只有轻微粘结，瓷件折断后，可看到断面各处均匀致密，平坦而有光泽；而烧结温度过低的瓷件，收缩率小，无粘结，密度低，颜色浅，易折断，断面粗糙；烧结温度过高的瓷件，收縮率大，出现变形和粘结现象，颜色深，易折断，断面粗糙或很亮。
在工艺上，机械加工也是必不可少的一个环节，烧结后瓷件外表面粗糙，有些出现略微失铅的现象，所以通过机械加工，磨削掉表面一层，既提高粗糙度，又使瓷件密度更加均匀，通过机械加工还可以使所需瓷件外形尺寸更加精确，满足各种精度要求，通过机械加工还可以得到特殊形状（如梯形）的压电陶瓷瓷件。
4、上电极
PZT压电陶瓷元件两极间需要有金属电极才能导电，发挥压电性。传统的上电极方法有很多种，如烧渗银层、真空蒸镀、化学沉银和化学沉铜等，本文主要介绍烧渗银层。工艺上，最关键的是表面涂覆银浆的方式和烧渗银曲线。根据元件形状和电极花样，可选择不同银浆涂覆方式，一般圆片或圆环状元件可采用手工涂银的方式，条状或矩形状元件可采用喷枪喷银的方式，而这两种方式不仅银层不均匀且效率低，最佳方式为丝网印银。制作合适的夹具，将PZT压电陶瓷元件放置其中，上面放一层丝网，通过刮板将丝网上的银浆刷在PZT压电陶瓷元件表面，丝网印银的优点，银层均匀且效率高，还可印刷任何所需要的银层花样，尤其适用与薄型元件。
烧渗银曲线也是值得注意的一个环节，烧银的目的是使银浆中的氧化银还原成银，并使银在较高温度时渗入瓷件表面，形成紧密的结合。烧银时升温速度应控制好，最高温度要适当，实验表明，在400℃以前，速度一定要慢，一般不要超过100℃/h，最高温度一般为750℃～800℃。为了证明银层与瓷件结合的牢固程度，可以通过银层拉力实验来检测银层的抗拉强度，一般银层的抗拉强度可达30Kg/cm2以上，抗拉强度高的甚至可达100Kg/cm2以上。
5、极化
PZT压电陶瓷元件上电极后，需要经过极化才能显示压电效应。要使压电陶瓷得到完善的极化，充分发挥其压电性能就必须合理的选择极化条件，即极化电场、极化温度和极化时间。只有在极化电场作用下，电畴才能沿电场方向取向排列，极化电场越高，促使电畴取向排列的作用越大，极化就越完善。一般以kp达到最大值的电场为极化电场。在极化电场和极化时间一定的条件下，极化温度越高时，电畴取向排列较易，极化效果较好。同样，极化时间越长，电畴取向排列的程度高。在工艺上，针对不同的材料，我们往往需要选择一个最佳的极化条件。长期实验证明，一般硬性材料，电场在3～4kv/mm，温度90℃～120℃，时间15min以上；而软性材料，电场在2～3kv/mm，温度120℃～150℃，时间15min以上，若保持电压降温至60℃以下，效果更好。
6、结束语
PZT压电陶瓷的研究已半个多世纪，目前是国内外最重要的机敏材料之一，已经被广泛应用于电子、雷达、微位移控制、航天技术及计算机技术等领域，因此PZT压电陶瓷元件的制备也是至关重要。本文采用喷雾塔造粒，干压成型，烧结后作机械加工，丝网印银，烧渗银，最后极化，并对以上系列工艺作了分析和讨论，通过实验得出最佳工艺参数，制备出的压电陶瓷元件致密度高，压电性能优良，得到了客户认可。当然，目前工艺也存在很多缺陷，如制备出的PZT压电陶瓷元件压电性能批次间存在波动性、特殊形状或超大超小型的PZT压电陶瓷元件的成品率不是很高等，这些都需要我们进一步改进和完善工艺。
参考文献
[1]张沛霖，钟维烈，等编著.压电材料与器件物理[M].山东科学技术出版社，1996.
[2]张福学，孙慷主编.压电学.北京：国防工业出版社，1984.
[3]徐建梅，雷家珩.烧结与极化工艺对PT-6压电陶瓷压电性能的影响，非金属矿，2001，24（增刊）：43~44.
个人信息：毛敏芬 性别： 女 出生年月：1979.02 单位：中船重工第715研究所 职称：工程师
关键词：PZT压电陶瓷元件、干压成型、喷雾造粒、丝网印银
1、引言
PZT压电陶瓷由于具有居里温度[1]高、压电性强、易掺杂改性[2]、稳定性好等特点，自20世纪60年代以来，一直是人们关注和研究的热点，在压电陶瓷领域中占主导地位。目前，市场上需求的PZT压电陶瓷元件的型号规格越来越多样化，片状、管状、柱状、条状及梯形状等，大型元件长度或直径可至200mm以上，而小型元件厚度只有0.2mm，甚至0.1mm，对于超长超大或超小超薄等特殊规格的元件来说，必须有更加先进的制备工艺技术。
PZT压电陶瓷元件常用的坯件制备方式，如轧膜成型，操作简单且效率高，但也存在许多不足，密度低，均匀性差，压电性能低；如等静压成型，压制的样品均匀致密且压电性能好，但制作成本太高。而干压成型，不仅制作成本相对低廉，而且各方面性能相对较优，一般软性材料，密度可达7.6×10-3Kg/m3以上，平面机电耦合系数Kp可达0.65左右。采用干压成型制备PZT压电陶瓷坯件，后续的烧结和机械加工，以及上电极和极化工艺也是值得注意的环节，本文针对以上几个关键问题作了分析讨论，同时对PZT压电陶瓷元件制备工艺的改进方向提出了建议。
2、坯件制备
采用干压成型的方式制备坯件，干压成型前应先将粉料造粒，即在粉料中加入占料中约5%的黏合剂，搅拌均匀并过粗筛（如40目筛），再以1t/cm2的压强进行预压块，最后将预压块研碎并过细筛（如30目筛）。造粒的目的不仅使黏合剂更加均匀的分布在粉料中，而且由于颗粒本身已经压紧，压料中空气较少，并较易排出，因此利于成型，使成型样品的密度更加均匀。如果采用喷雾干燥塔来造粒，与人工造粒相比，当然会得到更细更均匀的造粒料。值得注意的是，喷雾造粒的过程中，所加黏合剂的比例、粉料的细度都是需要控制的环节。通过实验，6%～8%的黏合剂含量最佳，粉料的细度一般以可通过20目筛为好。通过喷雾干燥塔造粒出的粉料因未经预压块呈现出更加松散的状态，干压成型时需要更高的压强，但因采用高温喷雾的方法，黏合剂的分布比人工造粒料更加均匀，所以成型样品的密度更高更均匀。
造粒后，利用油压机和模具成型，即制备坯件。成型压强对烧结后产品密度有很大关系，产品的密度也直接影响着PZT压电陶瓷元件的压电性能。成型压强太小，密度小，压强太大时，容易出现裂缝和分层。实验表明，采用手工造粒料成型，一般成型压强为1.0～1.5 t/cm2，采用喷雾造粒料成型，一般成型压强为1.5～2.0 t/cm2。
3、瓷件烧结和机械加工
干压成型后的坯件，需要通过高温烧结[3]才能成瓷。烧结是颗粒重排靠近，使材料致密化以及晶粒生长的过程，过高的烧结温度使陶瓷晶粒生长过大或组织机构不均匀，而烧结温度过低则会导致晶粒发育不完全，这些都会导致PZT压电陶瓷元件的压电性能受到影响。在工艺上，我们通常采用计算收缩率的方式来判断烧结情况。实验表明，采用手工造粒料成型的坯件，烧结后收缩率一般为12%～13%，采用喷雾造粒料成型的坯件，烧结后收缩率一般为13%～14%。一般来说，烧结温度适当的瓷件，收缩率正常，瓷件间不粘结或只有轻微粘结，瓷件折断后，可看到断面各处均匀致密，平坦而有光泽；而烧结温度过低的瓷件，收缩率小，无粘结，密度低，颜色浅，易折断，断面粗糙；烧结温度过高的瓷件，收縮率大，出现变形和粘结现象，颜色深，易折断，断面粗糙或很亮。
在工艺上，机械加工也是必不可少的一个环节，烧结后瓷件外表面粗糙，有些出现略微失铅的现象，所以通过机械加工，磨削掉表面一层，既提高粗糙度，又使瓷件密度更加均匀，通过机械加工还可以使所需瓷件外形尺寸更加精确，满足各种精度要求，通过机械加工还可以得到特殊形状（如梯形）的压电陶瓷瓷件。
4、上电极
PZT压电陶瓷元件两极间需要有金属电极才能导电，发挥压电性。传统的上电极方法有很多种，如烧渗银层、真空蒸镀、化学沉银和化学沉铜等，本文主要介绍烧渗银层。工艺上，最关键的是表面涂覆银浆的方式和烧渗银曲线。根据元件形状和电极花样，可选择不同银浆涂覆方式，一般圆片或圆环状元件可采用手工涂银的方式，条状或矩形状元件可采用喷枪喷银的方式，而这两种方式不仅银层不均匀且效率低，最佳方式为丝网印银。制作合适的夹具，将PZT压电陶瓷元件放置其中，上面放一层丝网，通过刮板将丝网上的银浆刷在PZT压电陶瓷元件表面，丝网印银的优点，银层均匀且效率高，还可印刷任何所需要的银层花样，尤其适用与薄型元件。
烧渗银曲线也是值得注意的一个环节，烧银的目的是使银浆中的氧化银还原成银，并使银在较高温度时渗入瓷件表面，形成紧密的结合。烧银时升温速度应控制好，最高温度要适当，实验表明，在400℃以前，速度一定要慢，一般不要超过100℃/h，最高温度一般为750℃～800℃。为了证明银层与瓷件结合的牢固程度，可以通过银层拉力实验来检测银层的抗拉强度，一般银层的抗拉强度可达30Kg/cm2以上，抗拉强度高的甚至可达100Kg/cm2以上。
5、极化
PZT压电陶瓷元件上电极后，需要经过极化才能显示压电效应。要使压电陶瓷得到完善的极化，充分发挥其压电性能就必须合理的选择极化条件，即极化电场、极化温度和极化时间。只有在极化电场作用下，电畴才能沿电场方向取向排列，极化电场越高，促使电畴取向排列的作用越大，极化就越完善。一般以kp达到最大值的电场为极化电场。在极化电场和极化时间一定的条件下，极化温度越高时，电畴取向排列较易，极化效果较好。同样，极化时间越长，电畴取向排列的程度高。在工艺上，针对不同的材料，我们往往需要选择一个最佳的极化条件。长期实验证明，一般硬性材料，电场在3～4kv/mm，温度90℃～120℃，时间15min以上；而软性材料，电场在2～3kv/mm，温度120℃～150℃，时间15min以上，若保持电压降温至60℃以下，效果更好。
6、结束语
PZT压电陶瓷的研究已半个多世纪，目前是国内外最重要的机敏材料之一，已经被广泛应用于电子、雷达、微位移控制、航天技术及计算机技术等领域，因此PZT压电陶瓷元件的制备也是至关重要。本文采用喷雾塔造粒，干压成型，烧结后作机械加工，丝网印银，烧渗银，最后极化，并对以上系列工艺作了分析和讨论，通过实验得出最佳工艺参数，制备出的压电陶瓷元件致密度高，压电性能优良，得到了客户认可。当然，目前工艺也存在很多缺陷，如制备出的PZT压电陶瓷元件压电性能批次间存在波动性、特殊形状或超大超小型的PZT压电陶瓷元件的成品率不是很高等，这些都需要我们进一步改进和完善工艺。
参考文献
[1]张沛霖，钟维烈，等编著.压电材料与器件物理[M].山东科学技术出版社，1996.
[2]张福学，孙慷主编.压电学.北京：国防工业出版社，1984.
[3]徐建梅，雷家珩.烧结与极化工艺对PT-6压电陶瓷压电性能的影响，非金属矿，2001，24（增刊）：43~44.
个人信息：毛敏芬 性别： 女 出生年月：1979.02 单位：中船重工第715研究所 职称：工程师