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壓電陶瓷的分類及制備工藝

發布時間:2021-08-16 17:16:59

中國陶瓷CMF設計研究應用平臺

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壓電材料是一種可實現機械能與電能相互轉換的功能材料,被廣泛應用于航空航天、激光陀螺、自適應光學、精密機械工、自動控制、半導體集成、生物醫學工程等技術領域。壓電材料按化學成分和形態大致可分為壓電單晶、壓電高分子材料、復合材料壓電陶瓷四大類。在壓電材料中,壓電單晶的性能大大優于其他材料的性能,但其生長速度慢,生產成本高,晶體成分分布不均等問題限制了其廣泛使用。而壓電陶瓷中的晶粒沿某一方向取向生長后,其性能可以比晶粒自由生長陶瓷的性能大幅提高。并且制備時間短,成本低,被譽為“窮人的單晶”。



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一、壓電陶瓷的結構及極化

1.壓電陶瓷的晶體結構

●鈣鈦礦結構

●鎢青銅結構

●鉍層狀結構


2.壓電陶瓷的極化

壓電陶瓷可以看作是由多個具有鐵電性的晶粒構成的壓電多晶體。由于各個晶粒的取向是隨機的,因此晶粒的自發極化矢量也是隨機取向的,宏觀上壓電陶瓷不顯示壓電性。為了使壓電陶瓷表現出壓電性,需要對壓電陶瓷進行極化處理。人工極化就是在壓電陶瓷上加一足夠高的直流電場,并保持一定的溫度和時間,迫使其電疇轉向,或者說迫使其自發極化作定向排列。下圖示意陶瓷中電疇在極化處理前后的變化情況。


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3.鐵電陶瓷

某些材料在一定溫度范圍內具有自發極化。而且其自發極化可以因外電場的作用而轉向,材料的這種特性稱為鐵電性。具有這種特性的陶瓷材料稱為鐵電陶瓷。


二、壓電陶瓷的分類

壓電陶瓷可分為鉛基壓電陶瓷材料和無鉛壓電陶瓷材料,無鉛壓電陶瓷材料主要包括鎢青銅結構、鉍層狀結構、鈣鈦礦結構三大類壓電陶瓷材料。


鉛基壓電陶瓷材料

Pb(Zr,Ti)O3(簡稱為PZT)壓電陶瓷材料是目前市場上應用最廣泛的壓電陶瓷材料。具有優異的壓電性能和良好的溫度穩定性。PZT陶瓷可通過摻雜改性來調節其性能,從而使其滿足不同使用需求的目的。為了更好地滿足市場上不同用途的器件對材料性能的需求,研宄人員在PZT二元系壓電陶瓷的基礎上又固溶其他的復合鈣鈦礦化合物,制備出性能更加優異的三元系、四元系PZT陶瓷。

鉛基壓電陶瓷因其優異的壓電性能一直占據著市場的主導地位。但鉛基壓電材料含有大量的有毒物質PbO,且其高溫下極易揮發,會對人類健康和環境保護造成嚴重危害。


無鉛壓電陶瓷材料

⑴鎢青銅結構陶瓷

鎢青銅結構陶瓷的化學式可寫為AxB2O6型,其結構是以共頂點的氧八面體連接而成。在氧八面體作“骨架”堆積而成的結構中存在三種不同的空隙:A1(較小)、A2(最大)和C(最小)。而且氧八面體也因所處位置的對稱性不同而有B1和B2兩種。根據空隙位置的正離子填充數目又分為了“非填滿型鎢青銅結構”、“填滿型鎢青銅結構”和“完全填滿型鎢青銅結構”三種。


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鎢青銅結構的陶瓷材料介電損耗低、自發極化強度大和居里溫度高。然而鎢青銅材料不僅燒結溫度較高,制備困難,而且溫度穩定性也較差,導致了鎢青銅結構壓電材料長期以來很少得到應用。

鉍層狀結構陶瓷

鉍層狀結構陶瓷是一種含Bi的有氧八面體的層狀結構化合物鐵電體,其通式為(Bi2O2)2+(Am-1BmO3m+1)2-其中A和B代表離子半徑和價態合適的離子,如A=Bi、Pb、Ba、Sr等稀土元素,B=Ti、Nb、Ta、W等,m=1、2、3、4、5。

鉍層狀結構陶瓷電學性能各向異性明顯,機械品質因數高,居里溫度高,相對介電常數低,電阻率高,介電擊穿強度高,諧振頻率的時間和溫度穩定性好。因此,此類陶瓷在濾波器、能量轉換、高溫高頻領域等有著廣泛的應用前景。但是其不容易極化,壓電活性較低。


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鈣鈦礦結構陶瓷

無鉛壓電陶瓷中研究最廣泛的還是鈣鈦礦結構,鈣鈦結構包括鈦酸鋇基陶瓷、鈦酸鉍鈉基陶瓷和鈮酸鉀鈉基陶瓷。

①鈦酸鋇基陶瓷

BaTiO3(簡稱為BTO)是最早被發現的壓電陶瓷,具有四個晶相,從高溫到低溫分別為:立方相-四方相-正交相-菱形相,BTO壓電性能較低,居里溫度不高,室溫附近的相變導致溫度穩定性不好。因此,在性能更優異的PZT陶瓷問世后,BTO一般只作為介電材料使用。


②鈦酸鉍鈉基陶瓷

(Na,Bi)TiO3(簡稱為NBT)陶瓷,具有居里溫度高、剩余極化大、介電常數小、頻率常數高、厚度機電耦合系數大等特點,被認為是最有潛力的無鉛壓電材料體系之一。但其室溫時的矯頑場較大,而且鉍元素易于揮發導致陶瓷的致密度和電阻率下降,使得鈦酸鉍鈉陶瓷很難極化,表現出較低的壓電性能,很難真正實現實用化。


③鈮酸鉀鈉基陶瓷

(K,Na)NbO3(簡稱KNN)陶瓷是鐵電體KNbO3與反鐵電體NaNbO3的二元系固溶體。當KNbO3與NaNbO3摩爾比為1:1時,KNN陶瓷具有最佳的壓電性能。但與實用化的PZT陶瓷相比其壓電性能仍然存在很大差距。

陶瓷的壓電性能和溫度穩定性是實現材料實用化的重要指標。有研究報道,通過摻雜改性將相變溫度下降到實際應用溫區之外,從而提高材料的溫度穩定性。


三、壓電陶瓷的制備工藝

制備流程大致分為:配料、混合、預燒、成型、排塑、燒結、被電極、極化、測試。陶瓷的制備是一個非常嚴謹的過程,任何一個小的細節都會對陶瓷的性能造成很大的影響,因此熟練掌握和不斷優化制備工藝的每一個步驟是獲得高品質壓電陶瓷的前提。

⑴配料:

原料選用純度較高、顆粒較小、活性較大的粉料。


⑵混合:

原料按化學計量比稱量之后,以酒精為媒介進行球磨混合,以利于預燒時各原料間充分進行化學反應。


⑶預燒和粉碎

預燒是各固相原料之間在遠低于陶瓷燒結溫度、略低于原料熔點的溫度附近,通過原子(或離子)擴散的方式充分接觸而發生化學反應,以生成配方所需產物。

一般為了原料能緊密接觸、原子擴散更容易常將粉末干壓成大塊進行預燒。預燒合成后的塊體還需要進行粉碎以及二次球磨,以便于后續的成型和燒結。


⑷成型和排塑

成型就是將粒料壓制成所需要的形狀規格的坯體,并為燒結創造條件。坯體成型的方式和方法很多,如干壓成型法、可塑成型法和漿料成型法等,干壓成型目前被廣泛采用。

造粒是在預燒研磨后的粉體中加入適量的粘合劑,常用的粘合劑為聚乙烯醇(PVA),攪拌混合均勻后預壓制成大塊,然后粉碎研磨后過篩得到尺寸均勻的顆粒。造粒使粘合劑更均勻、成型樣品的密度更均勻、排出顆粒間的空氣,有利于成型和致密。

加入粘合劑可增加粉料的可塑性以利于成型。成型后就需要將粘合劑排除,否則會因高溫下的分解、揮發而導致樣品胚體在燒結過程中變形、開裂。


⑸燒結

燒結是利用熱能使坯體轉變為致密陶瓷的工藝過程。密度是反映壓電陶瓷質量的重要參數,增大陶瓷的致密度是改善其性能的關鍵,是燒結工序的主要任務。影響燒結的因素是多方面的,主要有原料種類、升降溫速率、燒結溫度、保溫時間、燒結氣氛、燒結工藝、物料粒度等。其中,燒結溫度和保溫時間的選取將直接影響樣品的晶粒尺寸和晶粒分布、氣孔的多少以及晶界的體積分數等方面。


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⑥被電極、極化和測試

被電極就是在壓電陶瓷的表面上設置導電電極,使用的材料主要為Cu、Ag、 Ni 、Au等。使用的工藝方法為燒滲、化學沉積、真空鍍膜等。目的就是為了導通和后續極化。

極化的目的是為了使鐵電陶瓷的鐵電疇在外直場作用下,沿電場方向定向排列,顯示極性與壓電效應。極化的方法有硅油極化和空氣極化。在極化電場和極化時間一定的條件下,極化溫度高,電疇取向排列較易,利于極化。極化時間越長,電疇轉向排列充分,并有利于極化過程中應力的弛豫。確定極化條件應以兼顧壓電性能,提高成品率和節省時間為原則。

壓電、介電、鐵電等性能在樣品極化24h后進行測量。




參考來源:

1.鈮酸鉀鈉基無鉛壓電陶瓷的制備與物性的研究-姚衛增

2.壓電陶瓷晶粒取向生長技術的研究進展-杜紅亮


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