可行性方案-刘海军

《可行性方案-刘海军》由会员分享，可在线阅读，更多相关《可行性方案-刘海军（33页珍藏版）》请在装配图网上搜索。

1、压电陶瓷换能器的可行性初步研究一、 背景介绍1.1压电陶瓷相关的基本概念压电陶瓷：一种能能够将机机械能和和电能互互相转换换的功能能陶瓷材材料，属属于无机机非金属属材料。这这是一种种具有压压电效应应的材料料。正压电效应应：某些些材料在在机械应应力作用用下，引引起内部部正负电电荷中心心相对位位移而发发生极化化，导致致材料两两端表面面出现符符号相反反的束缚缚电荷的的现象。称逆压电效效应：施加激激励电场场，介质质将产生生机械变变形的现现象。1.2压电电陶瓷的的发展现现状及其其分类压电陶瓷是是含高智智能的新新型功能能电子材材料，随随着材料料及工艺艺的不断断研究和和改良，压压电陶瓷瓷的技术术越来越越广，而

2、而且随着着电子，信信息，航航空航天天高科学学技术领领域日新新月异的的发展，压压电陶瓷瓷材料的的制作技技术和应应用开发发将会越越来越受受到人们们的关注注和重视视。压电电陶瓷目目前有以以下几种种分类：A：一元系系压电陶陶瓷BaTiOO3是典典型的陶陶瓷铁电电体，机机电耦合合系数大大，制备备容易可可以制成成任意形形状和任任意极化化方向的的产品等等的优点点。PbTiOO3居里里温度高高（Tcc=4990），自自发极化化强度是是各种钙钙钛矿型型晶体结结构的铁铁电体中中最高的的，是一一种具有有热释电电性和压压电性，能能在高温温下使用用的压电电陶瓷。B：二元系系压电陶陶瓷PbZrOO3-PbTiiO3（PP

3、ZT）相相比一元元系具有有高耦合合，高机机械品质质因数和和高稳定定性等特特征，在在使用范范围内没没有明显显相变点点，可作作为滤波波器等通通信材料料，而高高耦合，高高介电常常数方面面的优点点又明显显扩大了了压电陶陶瓷的应应用范围围，不仅仅可以作作为振子子，而且且还可以以作为换换能器材材。C：三元系系及多元元系压电电陶瓷三元系陶瓷瓷比二元元系更具具有优越越的性能能，可以以大幅度度地调节节可供选选择的组组成成份份和压电电性，容容易获得得高机电电耦合数数的接受受型材料料。压电陶瓷的的发展趋趋势：压压电复合合材料，压压电薄膜膜，无铅铅压电陶陶瓷，纳纳米压电电陶瓷等等，出现现高位移移的新型型压电致致动器，

4、压压电变压压器，主主动减振振和降噪噪的压电电器件，医医用微型型压电陶陶瓷传感感器等新新器件。二、 压电陶瓷换换能器2.1压电电陶瓷特特点及其其应用分分类压电陶瓷换换能器的的特点是是：致密密度高、机机械强度度高、加加工容易易、适合合大批量量生产。经经过一些些容易实实现的加加工手段段就可制制成任何何给定的的形状和和几何尺尺寸。它它们的化化学性质质不活泼泼, 不易易受化学学侵蚀, 不受受湿汽和和其他恶恶劣气候候条件的的影响。此此外, 这些陶陶瓷的机机械定向向和电学学定向可可与陶瓷瓷的形状状准确取取向。压电陶瓷换换能器广广泛应用用于数据据处理、信信息处理理、通讯讯、声纳纳、陀螺螺、水声声器、记记步器、

5、激激光器、喷喷墨打印印、超声声清洗、超超声焊接接、报警警、以及及燃气设设备等行行业和技技术领域域。压电电陶瓷的的主要应应用领域域举例如如表1所示。表1压电陶陶瓷的主主要应用用领域举举例应用领域举例一 电源源压电变压器器雷达，电视视显像管管，阴极极射线管管，盖克克技术管管，激光光管和电电子复制制机等高高压电源源和压电电点火装装置二 信号号源标准信号源源振荡器，压压电音叉叉，压电电音片等等用作精精密仪器器中的时时间和频频率标准准信号源源三 信号号转换电声换能器器拾声器，送送话器，受受话器，扬扬声器，蜂蜂鸣器等等声频范范围的电电声器件件四发射与接接收超声换能器器超声切割，焊焊接，清清洗，搅搅拌，乳乳

6、化及超超声显示示等频率率高于220KHHz的超超声器件件，压电电马达，探探测地质质构造，油油井固实实程度，无无损探伤伤和测厚厚，催化化反应，超超声衍射射，疾病病诊断等等各种工工业用的的超声器器件水声换能器器水下导航定定位，通通讯和探探测的声声纳，超超声探测测，鱼群群探测和和传声器器等五 信号号处理滤波器通讯广播中中所用各各种分立立滤波器器和复合合滤波器器，如彩彩电中频频滤波器器；雷达达，自控控和计算算系统所所用带通通滤波器器，脉冲冲滤波器器等放大器声表面信号号放大器器以及振振荡器，混混频器，衰衰减器，隔隔离器等等表面波导声表面波传传输线六传感与计计测加速度计压力计工业和航空空技术上上测定振振动

7、体或或飞行器器工作状状态的加加速度计计，自动动控制开开关，污污染检测测用振动动计以及及流速计计，流量量计和液液面计等等角速度计测量物体角角速度及及控制飞飞行器航航向的压压电陀螺螺红外探测计计监视领空，检检测大气气污染浓浓度，非非接触式式测温以以及热成成像，热热电探测测、跟踪踪器等位移与致动动器激光稳频补补偿元件件，显微微加工设设备及光光角度，光光程长的的控制器器七 存贮调制用于电光和和声光调调制的光光阀，光光闸，光光变频器器和光偏偏转器，声声开关等等存贮光信息存贮贮器，光光记忆器器显示铁电显示器器，声光光显示器器等八 其它非线性元件件压电继电器器2.2压电电陶瓷的的极化机机理及机机电转换换压电

8、陶瓷换换能器用用陶瓷片片的极化化过程是是压电陶陶瓷片的的电畴在在直流电电场作用用下定向向排列的的过程。如如图2所所示。图2 压电电陶瓷片片的极化化效应图二中的为极化化前,为极化化后，aa为陶瓷瓷片的厚厚度(即即极化电电极之间间的尺寸寸)，bb为陶瓷瓷片的电电极。压电陶瓷片片极化后后, 若给给陶瓷片片施加一一个低于于极化电电压的交交流电信信号, 陶瓷片片就会产产生形变变, 如图图(3)所示。如如果外加加的交流流电信号号与极化化电压的的极性相相同, 就会使使陶瓷沿沿着极化化轴(即即x方向向)继续续膨胀，而而在垂直直于极化化轴的方方向（即即y方向向）收缩缩，如图图（3）中中的所所示。图 3 压压电陶

9、瓷瓷片极化化后产生生形变图 4 压压电陶瓷瓷的基本本变形图 5 给给陶瓷片片加压力力或张力力产生一一定电压压的交流流部电信信号若在陶瓷片片上施加加的交流流信号呈呈极性相相反时就就会产生生相反的的作用：沿极化化轴（xx方向）出出现收缩缩，垂直直于极化化轴方向向（y方方向）出出现膨胀胀。如图图（3）中中的所所示。在在和清况下下, 当在在陶瓷片片电极上上撤除电电信号时时, 陶瓷瓷片就回回复到原原来的极极化尺寸寸如图22中所示示。压电陶瓷片片的膨胀胀和收缩缩作用使使陶瓷片片发生变变形。两两种作用用的组合合产生一一种总体体形变, 形变变性质取取决于陶陶瓷的形形状和组组分、极极化轴的的取向和和电极的的取向

10、。图图(4)表示一一些陶瓷瓷片的一一些形变变模式、厚厚度和表表面切变变、厚度度膨胀和和收缩。一一般有两两种或多多种作用用同时存存在。极化过程完完成之后后, 给陶陶瓷片加加上一个个压力和和张力就就会产生生一个具具有一定定电压的的交流电电信号, 见图图5。如图所所示, 如果所所加的压压力平行行于极化化轴, 或所加加张力垂垂直于极极化轴, 就会会产生一一个极性性与极化化电压相相反的电电压。2.3压电电陶瓷换换能器制制造工艺艺压电陶瓷换换能器的的制造是是经过配配料、烧烧结、机机械加工工、表面面金属化化、用直直流电场场进行极极化处理理而得到到。压电电陶瓷的的物理、化化学和压压电特性性为适合合特殊的的应用

11、可可以通过过设计相相应的压压电陶瓷瓷材料配配方并辅辅以一定定的工艺艺技术而而实现。要得到性能能良好的的压电陶陶瓷，必必须掌握握它的制制作工艺艺。工艺艺条件的的变化，对对压电性性能的影影响很大大。因此此，我们们要认识识压电陶陶瓷的内内在规律律，设计计合理的的制作工工艺，严严格控制制它的操操作过程程。压电陶瓷的的制作过过程主要要包括以以下步骤骤：配料排胶成型粉碎混合预烧机械加工上电极极化测试烧成2.3.11配料2.3.11.1 原料的的选择和和处理原料是制备备压电陶陶瓷的基基础。选选择原料料一般应应注意其化化学组成成和物理理状态。(1)纯度度对纯度的要要求应适适度。高高纯原料料，价格格昂贵，烧烧结

12、温度度高，温温区窄。纯纯度稍低低的原料料，有的的杂质可可起矿化和助助熔的作作用，反反而使烧烧结温度度较低，且且温区较较宽。过过低纯度度原料杂杂质多，不不宜采用用。(2)杂质质含量压电陶瓷材材料中杂杂质允许许量主要要根据以以下三点点因素决决定：1)杂质类类型有害杂质质对材料绝缘缘、介电电性等影影响极大大的杂质质，特别别是异价价离子。如如B、C、P、S、Al等，愈愈少愈好好。有利杂质质与材料A、B位离子子电价相相同、半半径接近近，能形形成置换换固溶的的杂质。如如Ca2+、Sr2+、Ba2+、Mg2+、Sn4+、Hf4+等离子子，一般般在0.200.5%范围内内，坏的的影响不不大，甚甚至有利利。2)

13、材料类类型接收型压压电陶瓷瓷材料已引入了降降低电导导率和老老化率的的高价施施主杂质质，原料料中在00.5%以内的的杂质不不足以显显著影响响施主杂杂质的既既定作用用。发射型压压电陶瓷瓷材料要求低机电电损耗，因因而配料料中的杂杂质总量量，愈少少愈好，一一般希望望在0.05%以下。对对于为了了提高其其它性能能参数的的有意添添加物，另另当别论论。3)原料在在配方中中的比例例在PZT配配方中，比比例大的的原料PPb3O4、ZrOO2、TiOO2分别占占重量比比的600%、20%、10%左左右，若若杂质多多，引入入杂质总总量也多多。因此此，要求求杂质总总含量均均不超过过2%，即要求求纯度均均在988%以上

14、上。配方中比例例小的其其它原料料，杂质质总含量量可稍高高一些，一一般均在在3%以下下，即要要求纯度度均在997%以以上，特特殊要求求例外。(3)稳定定性与活活泼性稳定性是指指未进行行固相反反应前原原料本身身的稳定定性。如如碱金属属和碱土土金属氧氧化物易易与水作作用，在在空气中中不易保保存，不不稳定。如如Na、Ca、Ba、Sr、Mg的氧氧化物，不不宜采用用。宜采采用与水水不起作作用、稳稳定的、加加热又能能分解出出活泼性性大的新新鲜氧化化物的相相应的碳碳酸盐。如如Na2CO3、CaCCO3、SrCCO3、BaCCO3、MgCCO3等。活泼性是指指在固相相反应中中原料本本身的活活泼性。活泼泼性好的原

15、原料能促促使固相相反应完完全，利利于降低低合成温温度，减减少铅挥挥发。如如Pb3O4原料比比PbOO原料活活泼性好好。因其其在加热热中可分分解脱氧氧成新鲜鲜活泼性性大的PPbO。(4)颗粒粒度原料颗粒度度要求小小于0.2mm，微量量添加物物应更细细。这样样，可增增加混料料接触面面积，利利于互扩扩散反应应，使组组成均匀匀，性能能良好。另另外，还还可减小小陶瓷内内应力，增增加机械械强度等等。在原料的处处理方面面，有以以下常用用方法：(1)细磨磨压电陶瓷采采用的原原料，若若颗粒较较粗时，如如MnOO2、出厂厂未细磨磨的ZrrO2等，必必须细磨磨。可采采取振磨磨、球磨磨、行星星磨等，小小量原料料也可用

16、用研钵研研细。(2)烘干干为了不影响响配料的的准确性性，含水水原料必必须进行行烘干脱脱水处理理。一般般在电热热式干燥燥箱中干干燥。温温度11101120，时间间不少于于4小时，直直至无水水分为止止。(3)化学学分析在大批量生生产压电电陶瓷时时，每批批购进的的原料，因因制造或或分装的的厂商不不同、批批次的不不同，其其质量可可能不同同。因此此，应抽抽样化验验其纯度度或杂质质，检测测其颗粒粒度，以以保证压压电陶瓷瓷的性能能。2.3.11.2 配方计计算与称称料(1)配方方计算压电陶瓷材材料的配配方计算算通常有有两种方方法：1) 由原料的重重量比来来计算配配方的方方法 写出配方的的化学分分子式 写出所

17、用原原料的分分子式、纯纯度，并并查出其其分子量量(mool质量量) 用以下公式式计算各各原料所所需用量量 (i=1，2，n) (1)式中xi为为原料的的moll数，Mi为其mool质量量，xiMi为其质质量，PPi为其纯纯度；为为配方总总质量；W为总配配料用量量。该方法适合合于配方方中以重重量百分分比给出出添加物物的情形形。2) 由原料mool数比比例来计计算配方方的方法法 写出配方的的化学分分子式 写出所用原原料的分分子式、纯纯度，并并查出其其分子量量(mool质量量) 用以下公式式计算各各原料所所需用量量(i=1，2，n) (2)式中X为配配料总mmol数数，其它它同上。该方法计算算比较简

18、简单，特特别是配配方中以以moll百分比比给出添添加物时时，常用用此法。(2) 称称料计算算称料必须达达到以下下要求：称料天平平须有一一定精度度。批量量生产中中，大料料用0.1克克精度天天平，小小料用00.011克精精度天平平。称料料前，校校准零点点。称料既要要误差小小，又要要速度快快，以减减少原料料吸收空空气中水水分而造造成的误误差。称料与投投料按大大料小料料大料顺顺序，以以保证小小料在混混合中的的均匀性性。 严防各原料料算错、称称错、投投错，要要仔细检检查，严严格核对对。2.3.22混合和和粉碎混合是将称称量好的的原料混混合均匀匀、相互互接触，以以利于预预烧时各各原料间间充分的的化学反反应

19、。粉碎是将预预烧好的的料块碎碎细化，达达到一定定的平均均粒度和和粒度分分布，为为成型和和烧成创创造有利利条件。(1)工艺艺方法使用球磨机机(滚筒式式、行星星式、搅搅拌式和和振动式式等球磨磨机)，加磨磨球(钢球、玛玛瑙球、锆锆球等)与介质质(水、酒酒精等)，对原原料进行行机械混混合或粉粉碎。(2)工艺艺原理磨球靠电动动机产生生离心力力、摩擦擦力和地地心引力力的共同同作用，形形成碰撞撞、循环环翻动和和自转等等运动，使使介于其其中的粉粉料受到到冲击和和摩擦研研磨，从从而达到到混合与与粉碎细细化。(3)球磨磨工艺具体球磨工工艺视不不同球磨磨机而定定，其合合理的工工艺参数数要通过过实验结结果(球磨后后混

20、合均均匀程度度、粉料料粒度大大小与分分布、混混杂量、效效率和成成本等)优选，也也可借鉴鉴相关工工艺参数数。(4)球磨磨质量的的主要影影响因素素球磨机转转速（视视球磨机机类型、球球磨罐大大小等确确定）球磨罐(直径、内内衬材料料等)磨球(比比重、硬硬度、形形状、磨磨损率)粉料填充充量(660%左左右)粉料、球球与磨介介的比例例（视粉粉料的吸吸水性、球球比重确确定）磨介的作作用(粘附、劈劈裂、流流动、分分散等)球磨时间间（视球球磨机类类型、进进料粒度度而定）球磨方式式(干法、湿湿法)2.3.33预烧预烧(也称称合成)是通过过原料中中原子或或离子之之间在加加热作用用下的扩扩散来完成固相相化学反反应，生

21、生成瓷料料的过程程。(1)预烧烧的目的的使各原料料的固相相化学反反应充分分均匀，生生成组成成固定的的固溶体体，形成成主晶相相。排除原料料中的二二氧化碳碳和水分分等，减减小坯体体的烧成成收缩、变变形，以以便于控控制产品品外形尺尺寸。(2) PPZT压压电瓷料料的合成成过程分析压电瓷瓷料的合合成过程程是理解解与制定定预烧工工艺的基基础。对对于PZZT瓷料料的合成成过程，人人们通过过差热分分析、化化学分析析、X射线分分析等手手段获得得的结果果见图114所示示。图14 PPZT形形成的差差热曲线线图15 PPZT合合成时各各相的变变化由图14中中以Pbb3O4为原料料的差热热曲线可可知：630的吸热热

22、效应是是因Pbb3O4分解为为PbOO引起，并并开始形形成PbbTiOO3，到6550形成PbbTiOO3的反应应最为显显著。790是PbOOZrrO2PbbZrOO3三元共共融液形形成温度度，但因因为这时时大量存存在的PT 马上与与PZ生成成PZTT固溶体体，所以以这也是是PZTT开始形形成的温温度，该该反应到到8500基本完完成。图15表示示保温22小时，PPZT合合成过程程中各相相随温度度变化的的情况。可可以由图图把反应应按温度度范围分分成三段段，即：反应A：33506800反应B：66258000反应C：8800以上(3)预烧烧工艺1)装钵将混合干燥燥后的粉粉料装入入钵内，并并压紧、扎

23、扎孔、加加盖、入入炉。5500前炉门门微开，以以利排除除有机物物和水分分等，之之后关炉炉门。2)加热条条件(以典型型PZTT为例)升温速率：视炉内内装料多多少而定定。最高温度：8500左右(视配方方而变化化)保温时间：6500左右保保温1-2小时时，以生生成PTT。 8850左右保保温2小时，以以生成PPZT。降温速率：关电随随炉冷却却，至2200以下出出炉。炉内气氛：以中性性或氧化化气氛为为好；还还原气氛氛会导致致料粉还还原发黑黑，必须须严加控控制。硅硅碳棒炉炉好于电电阻丝炉炉。(4)预烧烧瓷料质质量要求求外观：颜色色正常、均均匀一致致；有一一定膨胀胀或收缩缩(视具体体配方)；硬度度适中。化

24、学分析：游离锆锆、钛、铅铅少，小小于0.5%相分析：为为钙钛矿矿相，无无杂相。(5) 影影响预烧烧的因素素原料活性性及颗粒粒度其制约关系系有式中，t为为固相反反应完全全所需时时间；rr为颗粒粒直径；D0为扩散散频率因因子；QQ为激活活能；TT为温度度；k为常数数。这说明，固固相反应应的速度度与原料料扩散状状况(D0)、活性性()、温度度成正比比，而与与原料颗颗粒平均均直径成成反比。合成温度度(以上已已说明)。升温速率率和保温温时间。坯料压紧紧力。炉内温度度均匀性性、气氛氛等。2.3.44 成型型与排塑塑成型就是将将瓷料压压制成所所需要的的形状规规格的坯坯体，并并为烧结结创造条条件。排排塑就是是

25、在一定定温度下下，将成成型过程程中加入入瓷料中中的粘合合剂（或或塑化剂剂）排除除，并使使坯体具具有一定定的机械械强度。2.3.44.1成成型坯体成型的的方式和和方法很很多，如如压力成成型法、可可塑成型型法和浆浆料成型型法等，每每大类成成型法中中又可分分为若干干具体成成型方法法。可以以根据制制品的形形状、规规格、大大小来选选择使用用，但各各有利弊弊。这里里仅介绍绍广泛采采用的干干压成型型法。干压成型是是将经过过造粒的的瓷料装装入一定定形状的的钢模内内，借助助于模塞塞，在一一定外力力下压制制成坯体体。（1） 干压成型原原理在外力作用用下，瓷瓷料颗粒粒在模具具内相互互靠近，并并借助内内部作用用力牢固

26、固地把各各颗粒联联系起来来，成为为保持一一定形状状的坯体体。干压坯体的的结构：可看成成由液相相（粘合合剂）层层、空气气、瓷料料颗粒组组成的三三相结合合体系。内部作用力力及其物物理机制制：颗粒接接触镶嵌嵌引起的的啮合力力；粘合剂剂在颗粒粒间微孔孔中的无无细管压压力；颗粒间间、粘合合剂和颗颗粒间的的分子引引力；接触物物间电荷荷转移引引起的静静电吸引引力。（2） 成型条件选选择的一一般原则则1) 加压方式干压成型一一般分单单向加压压和双向向加压两两种方式式。较薄薄制品可可采用单单向加压压方式；厚制品品宜采用用双向加加压，以以使坯体体内密度度较均匀匀。2) 压力对不同瓷料料、不同同形状制制品，压压强由

27、实实验确定定。一般般在1-3T/cm33范围，以以保证坯坯体密度度均匀地地达到55.4-5.77g/ccm3。3) 加压速度和和保压时时间对于较大体体积坯体体，加压压必须缓缓慢，达达到最大大压力后后，需保保压一定定时间，以以利于排排除坯体体中的空空气，防防止分层层和裂纹纹。对薄薄小坯体体，加压压可较快快，保压压几秒钟钟即可。（3） 粘合剂的使使用1）粘合剂剂对成型型的作用用 赋予瓷料以以可塑性性，便于于成型，且且坯体具具有较高高的、均均匀的致致密度； 增加瓷料的的粘结性性，使成成型坯体体具有一一定的机机械强度度； 减少瓷料与与模壁间间的摩擦擦力，便便于脱模模，减小小分层裂裂纹现象象。2）压电陶

28、陶瓷制品品对粘合合剂的要要求有足够的的粘结性性；挥发温度度范围宽宽，能缓缓慢分散散地分解解挥发，避避免快速速集中挥挥发引起起坯体开开裂；挥发温度度不能太太低，以以免和水水分同时时挥发，造造成坯体体变形或或开裂，但但也不能能太高，引引起铅等等挥发；加热挥发发后，无无残留杂杂质，以以免影响响制品的的性能。3）粘合剂剂的配制制粘合剂的品品种很多多，压电电瓷料干干压成型型使用聚聚乙烯醇醇（PVVA）的的比较多多，无毒毒，且基基本能满满足上述述要求。以以下介绍绍其典型型配方、特特点及制制法。5%浓度度的PVVA水溶溶液，配配方简单单，成本本低，但但存放期期短（110天以以内）。PVA：甘油：酒精：蒸馏水

29、水=155：7：3：75（wt%）。粘粘度较大大，存放放期较长长，不易易变质，但但较低温温度下过过稠，不不宜采用用。配制：混合合，900温度下下搅拌溶溶化，过过滤、密密封存放放备用。（4） 造粒造粒是将瓷瓷料混合合粘结剂剂后，制制成流动动性好的的较粗颗颗粒（约约20目/吋）。把把这种颗颗粒称为为团粒，以以示区别别。1) 造粒的作用用因细磨后的的瓷粉细细且轻、比比表面积积大、占占据体积积大，从从而流动动性差、装装填密度度和压实实密度不不高。所所以造粒粒的作用用就在于于均匀瓷瓷粉中的的粘合剂剂、增加加其颗粒粒度、比比重和流流动性，使使成型坯坯体致密密度提高高。2) 常用造粒方方法及特特点普通手工工

30、造粒法法将瓷料加适适量（如如4-55wt%）的5%浓度PVVA水溶溶液粘合合剂，在在研钵内内手工细细混均匀匀，然后后过筛即即可。该法操作简简单，但但劳动强强度大，混混合难以以均匀，团团粒质量量不高，效效率低，仅仅适合实实验室和和小量生生产。加压造粒粒法将瓷料加入入4-55wt%的5%浓度度PVAA水溶液液粘合剂剂，在混混料机中中搅研均均匀，过过20目/吋筛。然然后在液液压机上上用压模模以1880-2250kkg/ccm2压力保保压1分钟压压成圆饼饼。用破破碎机破破碎圆饼饼，直至至全部通通过200目/吋筛即即可备用用。该法团粒密密度大，坯坯体机械械强度高高，能满满足各种种大型和和异型制制品成型型

31、要求。但但产量较较小，效效率不高高，工艺艺操作要要求严格格，适合合于实验验室实验验和中批批量生产产。喷雾干燥燥造粒法法将混合粘合合剂的瓷瓷料先做做成料浆浆，再经经喷雾干干燥机进进行雾化化干燥造造粒，并并收集备备用。团团粒粗细细可由雾雾化相关关条件控控制。该法颗粒为为球状、流流动性好好、质量量好、且且产量大大、连续续生产、效效率高，劳劳动强度度小和条条件得到到改善。宜宜于大批批量生产产，但设设备成本本高。（5） 模具设计模具的设计计以制品品的形状状、尺寸寸、压力力、粉料料压缩化化、烧结结收缩率率、粗糙糙度等为为依据，设设计模具具：配合精精度（如如三级精精度配合合）；光洁度度（如工工作面10）；硬

32、度（如如HRCC 577-622）；脱模锥锥度（一一般不小小于1%）；形状、尺尺寸；用材（工工具钢，如如Cr112钢）等等。（6） 影响成型质质量的因因素1) 粘合剂以PVA粘粘合剂为为例，主主要影响响因素有有：聚合度nn。n过大，链链节长，粘粘结力和和弹性大大，不利利于造粒粒和成型型；n过小，链链节轻，弹弹性和粘粘结力小小，起不不到粘合合剂作用用。n一般选选17550550较合合适。用量。过过少，不不利于成成型。过过多，排排塑后，气气孔多，影影响坯体体和瓷体体密度及及机电性性能2) 团粒性质主要包括粒粒形、粒粒度、粒粒度分布布、密度度等对流流动性、装装填密度度和压实实密度的的影响。3) 加压

33、制度包括加压方方式、成成型压力力、加压压速度和和保压时时间对成成型质量量的影响响。4) 模具模具阴阳件件的配合合精度、光光洁度、脱脱模锥度度等对成成型坯体体有重要要的影响响。2.3.55排塑（1）排塑塑的必要要性成型坯体中中粘合剂剂是一种种高分子子化合物物，含碳碳多，碳碳在氧气气不足时时燃烧产产生还原原性很强强的一氧氧化碳。一一氧化碳碳夺取PPZT中中的氧而而形成二二氧化碳碳，使金金属氧化化物还原原为导电电的金属属（如PPb）和和半导体体性质的的低价氧氧化物（如如Ti2O3），影影响陶瓷瓷的颜色色、成瓷瓷性、烧烧银、极极化和最最终性能能。所以以，在烧烧结前，必必须对坯坯体进行行排塑。（2）排塑

34、塑的基本本要求1）根据PPVA粘粘合剂的的挥发性性，严格格控制排排塑的升升温速度度和保温温时间。在排除PVVA粘合合剂过程程中，1100左右（随随坯体厚厚度增加加而增加加）是水水分的挥挥发，2200-5000是PVAA的挥发发温区。这这样，1100左右要要保温一一段时间间，5000以前必必须缓慢慢升温。2）根据PPVA粘粘合剂的的分解特特性，控控制排塑塑气氛PVA粘合合剂加热热分解及及氧不足足情况下下对PZZT作用用的反应应式有：这样，PZZT坯体体发生了了不同程程度的还还原反应应，将导导致的结结果有： 烧结时不易易结晶成成瓷，颜颜色不正正常； 烧银时发生生渗银发发黑，极极化时则则难以加加上电

35、压压； 陶瓷电性能能恶化等等。因此，必须须确保使使排塑炉炉内有充充足的氧氧气氛。（3）排塑塑工艺将坯体装入入透气性性好的耐耐火槽板板中，推推入氧氛氛好的排排塑炉内内，按一一定加热热制度排排塑。典典型例如如下：升温速度：04550，50/h；45007550，1500/h最高温度：7500（6000前，微微开炉门门，6000关炉门门）保温时间：1h冷却方式：关电源源随炉冷冷却。2.3.55烧结烧结是利用用热能使使坯体转转变为具具有某种种显微组组织结构构的致密密陶瓷体体的工艺艺过程。2.3.55.1 烧结理理论要点点与烧结结过程为了理解烧烧结原理理，自觉觉执行烧烧结工艺艺，这里里先简要要介绍烧烧结

36、理论论要点和和固相烧烧结过程程。2.3.55.2烧结理理论要点点根据烧结的的热力学学和动力力学研究究，其理理论要点点有：（1） 烧结是一个个过程，且且具有阶阶段性；烧结一一般分为为固相烧烧结和液液相烧结结两大类类型。（2） 烧结过程有有其发生生发展原原因（热热力学驱驱动力）。外因：外部部给予的的热能；内因：瓷料总总界面能能的减少少。（3） 烧结过程中中存在物物质传递递。传质质模型和和机理主主要有：流动；扩散；蒸发与与凝聚；溶解与与沉淀等等。（4） 具体的烧结结过程或或阶段的的快慢决决定于致致密化速速率（生生长动力力学方程程）。2.3.55.3固相烧烧结过程程与阶段段图16示意意了固相相烧结过过

37、程与阶阶段，以以下加以以分析说说明。图16 不不同烧结结阶段晶晶粒排列列过程图17 PPZT系系压电陶陶瓷烧结结阶段对对致密性性的影响响(1) 初期阶阶段（颗颗粒结合合阶段，1050以前）相互接触的的颗粒通通过扩散散使物质质向颈部部迁移，导导致颗粒粒中心接接近，大大颗粒长长大，小小颗粒减减小或消消失，气气孔形状状改变并并发生坯坯体收缩缩，如图图16、18、19所示示。继续续扩散，相相邻的晶晶界相交交并形成成网络，为为连续贯贯通状态态。图18 烧烧结中双双晶粒结结合示意意图图19烧结结中多晶晶粒结合合示意图图该阶段晶粒粒平均粒粒径小、结结构松疏疏、线收收缩小。（2）中期期阶段（晶晶粒生长长阶段，

38、10501200）晶粒成长是是坯体中中晶界移移动的结结果，如如图200、21所示示。弯曲曲的晶界界总是向向曲率中中心移动动，曲率率半径愈愈小，移移动愈快。边边数大于于六边的的晶粒易易长大，小小于六边边的晶粒粒则易被被吞并，晶晶界交角角为1220的的六边形形（晶粒粒截面）的的晶粒最最为稳定定。该阶阶段线收收缩和体体密度显显著增加加，显气气孔率大大幅度降降低，气气孔由连连续贯通通变为孤孤立状态态。在第第二相包包裹物（晶晶界中杂杂质、气气孔等）的的阻碍下下，晶粒粒逐渐减减缓。图20 烧烧结中晶晶界移动动示意图图图21 烧烧结中期期多晶体体界面移移动情况况（3）末期期阶段（晶晶粒校正正阶段，1200最

39、佳烧结温度）晶粒缓惯校校正性长长大，直直至达到到较理想想的烧结结程度。同同时，大大部分气气孔从晶晶界排出出体外，余余下气孔孔体积缩缩小，最最后变成成彼此孤孤立、互互不连通通的闭口口气孔。这这种气孔孔一般处处于多个个晶粒的的交界处处，其内内部压力力高，进进一步排排除困难难。（4）过烧烧和二次次晶粒长长大1）过烧在达到最佳佳烧结温温度后，继继续升高高温度，则则晶界运运动加剧剧，二次次粒长大大量出现现，闭口口气孔膨膨胀、裂裂开，密密度下降降的现象象，称为为过烧。过过烧后的的瓷件性性能低下下，要加加以控制制。2）二次晶晶粒长大大当晶粒的正正常长大大由于包包裹物阻阻碍而停停止时，烧烧结体内内可能有有少数

40、晶晶粒特别别大，边边数多，晶晶界曲率率也较大大。在一一定的条条件下，它它们能越越过包裹裹物而继继续反常常长大。这这种现象象称为二二次晶粒粒长大。造成二次晶晶粒长大大的原因因，是由由于：瓷料本本身不均均匀，有有少数大大晶粒存存在；成型压压力不均均匀，造造成局部部晶粒易易长大；烧成温温度过高高，加剧剧大晶粒粒生长；局部有有不均匀匀的液相相存在，促促进了粒粒长等。另另外，当当起始瓷瓷料粒径径大时，相相应的晶晶粒生长长就小；当瓷料料粒度极极细时，活活性大，烧烧结温区区窄，常常易在小小晶粒基基相中出出现大的的晶粒。2.3.55.4烧结条条件2.3.55.4.1制定定烧结条条件的依依据烧结条件主主要由四四

41、个方面面组成：升温速速度；最高烧烧结温度度；保温时时间；降温速速度和冷冷却方式式。制定合理的的烧结条条件的一一般原则则是：以以最经济济的方式式（看效效率、成成本等经经济指标标），烧烧出高质质量的瓷瓷料（看看性能等等技术指指标）。制定合理条条件的依依据是：材料的的相图组组成相温度关关系）；综合热热分析（失失重、胀胀缩、热热差）数数据；瓷料烧烧结线收收缩或体体积密度度；显微组组织结构构分析；制品电电性能数数据。2.3.55.4.2烧结结条件的的确定确定烧结条条件要重重点关注注两个方方面的关关系：一是烧烧结条件件与瓷料料组织结结构、性性能的关关系；二二是烧结结条件与与坯体形形状尺寸寸的关系系。以下下

42、加以分分别说明明。（1）烧结结温度 PPZT系系陶瓷元元件的烧烧结温度度，主要要取决于于配方的的化学组组成、瓷瓷料粒度度、坯体体的形状状尺寸、成成型方式式、升温温速度和和保温时时间等。最最佳烧成成，一般般都是在在试烧时时，分别别测定各各种不同同烧结温温度下元元件的收收缩、密密度、组组织结构构和电性性能参数数，综合合比较而而确定的的。一般说来，烧烧结温度度范围较较宽（30）的瓷瓷料，应应在烧结结的上限限温度进进行烧结结，但保保温时间间不宜过过长；烧烧结温度度范围较较窄（10）的瓷瓷料，则则在下限限温度进进行烧结结；并可可适当延延长保温温时间。（2）升温温速度和和保温时时间当升温速度度较快（300

43、/h左右）时，烧结温度就宜偏上限，保温时间不宜延长；当升温速度较慢（200/h左右）时，烧结温度就宜偏下限，保温时间可适当延长。鉴于PbOO在高温温下易挥挥发，形形状简单单的小尺尺寸坯件件，较快快速度升升温和短短期保温温（11h）。但但大件且且外形复复杂的坯坯件，则则应适当当变慢升升温速度度和延长长保温时时间，且且力求密密封烧结结，以使使制品烧烧结均匀匀，避免免失铅。（3）降温温速度和和冷却方方式降温速度和和冷却方方式主要要取决于于坯件形形状尺寸寸和烧结结炉的构构造。一一般中小小型坯件件都可以以采用停停电随炉炉自然冷冷却的方方式。形形状简单单的小型型坯件，为为了使晶晶粒细化化，避免免还原发发黑

44、，可可微开炉炉门，通通过空气气冷却；也可采采取抽风风降温快快冷方式式，到8850以下再再进行随随炉自然然冷却。形形状复杂杂的大型型坯件，一一般控制制在1000/h的降降温速度度冷却，以以免变形形开裂。2.3.55.5烧结工工艺步骤骤与质量量判断2.3.55.5.1烧结结步骤（1）烧结结前准备备工作1）检查：烧结炉炉发热体体好坏、热热电偶位位置、电电流电压压的平衡衡、保温温性能等等炉况；烧结耐耐火配件件，如坩坩埚与盖盖的完好好、配合合、吸铅铅程度，匣匣缽好坏坏程度等等。2)装埚、装装缽和进进炉，如如图222所示。进进炉应平平稳轻轻轻推进，以以免堆叠叠的坯体体错动。图22 装装缽示意意图（2）设置

45、置烧结程程序按工艺规定定的烧结结条件在在控温仪仪上设置置烧结程程序，通通电加热热烧结。（3）定期期观察、调调整、记记录烧结结炉运行行状况，并并在接近近最佳烧烧结温度度和保温温时间，反反复检查查、测定定、校正正温度，防防止温度度的偏离离。（4）保温温结束以以后，停停电，自自然冷却却或按其其他降温温冷却方方式冷却却。2000以下可出出炉。2.3.55.5.2烧结结质量的的判断压电陶瓷烧烧结质量量的判断断，除了了测定致致密度、电电性能和和显微组组织结构构外，生生产可采采用更简简单更直直接的直直观判断断法。根根据这种种判断方方法，较较佳烧结结质量的的瓷件应应具备以以下特征征：室温下颜颜色：均均匀一致致

46、、有光光泽；粘结现象象:瓷件之之间稍有有粘结，但但易分开开；收缩率：约122%左右右；墨水扩散散：不渗渗墨水，无无扩散现现象；声响：敲敲击时有有清脆的的金属声声；机械强度度:强度高高，不易易被折断断；断面状况况：均匀匀、致密密、无气气孔、断断口呈贝贝壳状，有有光泽；在同一炉炉、同一一埚内的的瓷件，上上述特征征基本一一致，无无明显差差别。2.3.55.5影响烧烧结的主主要因素素（1）原料料的影响响不同规格、级级别的原原料含不不同种类类和数量量的杂质质，不同同产地、批批次原料料的活性性也不相相同，烧烧结条件件也会产产生相应应的变化化。（2）锆钛钛比(ZZr/TTi)影影响随Zr/TTi的增增加，烧

47、烧结温度度随之增增高，甚甚至难以以烧结。（3）添加加物的影影响影响烧结的的添加物物主要有有以下几类类：产生A位位缺陷的的“软性”添加物物（如LLa3+,Nbb5+等）。利利于离子子扩散，烧烧结温度度范围扩扩大，提提高烧结结速度。产生O空空位的“硬性”添加物物（如NNa+,Fee3+,SSc3+等）。使使晶格收收缩，不不利于离离子扩散散，较难难烧结。小半径等等价取代代A位离子子的取代代物（如如Sr2+等）。使使A位松动动，晶格格畸变而而有利于于离子扩扩散，易易于烧结结。生成液相相的添加加物（如如 SiiO2,Bii2O3等）。在在坯体中中长生液液相，离离子易于于扩散，可可降低烧烧结温度度。能限制

48、晶晶粒长大大的晶界界分凝添添加物（如如Fe3+,All3+,CCr3+,Nii3+等）。该该类添加加物一部部分固溶溶于晶格格起改性性作用；一部分分凝聚于于晶界，限限制晶粒粒长大，导导致高密密度的微微晶结构构，提高高瓷件机机电性能能，特别别提高机机械强度度。（4）预烧烧温度的的影响预烧温度低低时，粒粒度细但但差别小小，坯体体中堆积积不紧密密，接触触点不多多，不利利扩散。预预烧温度度高时，粒粒度粗，活活性差，烧烧结动力力小。另另外，不不适合的的预烧温温度将增增加瓷料料的游离离氧化物物，使PPbO挥挥发量大大，导致致烧结温温度增高高。只有有合适的的预烧温温度，瓷瓷料才兼兼具活性性和较宽宽的粒度度分布

49、，堆堆积接触触点多，烧烧结后致致密度高高。所以以，正确确的预烧烧温度的的选定，是是获得良良好烧结结的一个个关键因因素。（5）瓷料料性质和和成型密密度的影影响细磨后的瓷瓷料粒度度细，活活性大，烧烧结动力力大；粒粒度分布布较宽，成成型坯件件中紧密密堆积、气气孔少，加加之坯件件各部位位尽可能能均匀致致密化，都都利于烧烧结中离离子扩散散与瓷体体致密度度的提高高与均匀匀一致。（6）烧结结条件的的影响固相烧结的的完善程程度在烧烧结条件件中主要要取决于于烧结温温度和保保温时间间。烧结结温度的的提高，会会使离子子扩散能能力增强强，烧结结过程加加速，但但温度过过高，会会出现瓷瓷件粘结结变形、二二次晶粒粒长大、密

50、密度下降降、失铅铅和性能能降低。温温度过低低、又会会出现气气孔率高高，密度度低，电电性能差差等现象象。保温时间是是保证制制品在烧烧结过程程中各部分温温度均匀匀一致和和结晶成成瓷致密密化不可可少的重重要条件件。保温温时间的的长短对对晶粒大大小和均均匀程度度都有一一定的作作用。 (7) 烧结气气氛的影影响烧结气氛是是指在烧烧结过程程中炉内内、坩埚埚内的气气氛。一一般气氛氛分氧化化、还原原和中性性三种。其其作用在在于形成成保护烧烧结环境境，以控控制固相相反应和和形成所所需要的的组织结结构。一一般来说说，PZZT系陶陶瓷元件件应在氧氧化气氛氛中进行行烧结，因因为还原原气氛将将使金属属氧化物物金属化化、

51、变价价离子还还原，从从而瓷件件绝缘电电阻降低低，tgg增大大，性能能劣化等等。烧结在空气气中进行行，即可可形成氧氧化气氛氛。以硅硅碳棒为为发热体体的高温温炉，一一般为弱弱氧化气气氛。这这二者结结合的条条件下烧烧结，基基本上可可保证瓷瓷件不会会还原。配配方中添添加了LLa2O3,Bii2O3,Nbb2O5,Taa2O3,Sbb2O3等氧化化物，烧烧结时更更应注意意氧不足足的问题题。烧后后的制品品，经中中温氧化化处理后后，压电电性能会会有明显显改善。经排塑的坯坯件，在在湿度大大的空气气中存放放过久，会会吸附碳碳酸根、硝硝酸根、氯氯离子或或氢氧根根离子等等，不利利于瓷料料颗粒接接触，阻阻碍烧结结。因

52、此此，应控控制排塑塑坯件的的存放条条件和时时间。（8）烧结结中PbbO挥发发的影响响 PZT系系陶瓷中中PbOO的比例例大，且且PbOO的熔点点低，烧烧结中易易挥发，特特别是高Zr/Ti配配方瓷料料，PbbO蒸气气压力加加大，挥挥发更严严重。PPbO挥挥发会使使化学计计量比偏偏离，加大大烧结成成瓷难度度，达不不到设计计的材料料性能。为了防止PPbO的的挥发，常常采用下下列措施施：保证装埚埚的密封封；埋熟料粉粉；加气氛片片；盖加多层层坩埚；配方中添添加0.511.5wwt%过过量PbbO。2.3.66 外形加加工将烧好的的制品磨磨加工到到所需要要的成品品尺寸。2.3.77 镀电电极在要求的的陶瓷表表面设置置上导电电电极。一一般方法法有银层层烧渗、化化学沉积积和真空空镀膜。2.3.88 高压压极化使陶瓷内内部电畴畴定向排排列，从从而使陶陶瓷具有有压电性性能2.3.99老化测测试陶瓷性能能稳定后后检测各各项指标标，看是是否达到到了预期期的性能能要求。2.4 压压电陶瓷瓷