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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