鋯鈦酸鉛壓電陶瓷的制備試驗(yàn)

1、錯(cuò)鈦酸鉛壓電陶瓷的制備實(shí)驗(yàn)引言:壓電陶瓷我們將具有壓電效應(yīng)的陶瓷稱為壓電陶瓷，而壓電效應(yīng)分為正壓電效應(yīng)和負(fù)壓電效應(yīng)。正壓電效應(yīng)：當(dāng)對(duì)某些晶體施加壓力、張力或切向力時(shí)，則發(fā)生與應(yīng)力成比例的介質(zhì)極化，同時(shí)在晶體兩端面將出現(xiàn)數(shù)量相等、符號(hào)相反的束縛電荷，這種現(xiàn)象稱為正壓電效應(yīng)，如下圖所示；逆壓電效應(yīng)：當(dāng)在晶體上施加電場(chǎng)引起極化時(shí)，將產(chǎn)生與電場(chǎng)強(qiáng)度成比例的變形或機(jī)械應(yīng)業(yè)化方內(nèi)I力，這種現(xiàn)象稱為逆壓電效應(yīng)。注：實(shí)線代表形變前的情況;虛線代表形變后的情況，十+正壓電效應(yīng)示意圖自從十九世紀(jì)五十年代中期，由于鈣鈦礦的PZT陶瓷具有比BaTiO3更為優(yōu)良的壓電和介電性能，因而得到廣泛的研究和應(yīng)用。圖1-1為Pb

2、(ZrxTii-x)O3體系的低溫相圖1。在居里溫度以上時(shí)，立方結(jié)構(gòu)的順電相為穩(wěn)定相。在居里溫度以下，材料為鐵電相，對(duì)于富Ti組分(0WxW0.52)為四方相；而低Ti組分(0.52wxw0.94)為三方相。兩種晶相被一條x=0.52的相界線分開。在三方相區(qū)中有兩種結(jié)構(gòu)的三方相：高溫三方相和低溫三方相，PbZrO3組分這兩種三方相的區(qū)別在于前者為簡(jiǎn)單三方晶胞，后者為復(fù)合三方晶胞。在靠近(0.94WxW1)的地方為反鐵電區(qū)，反鐵電相分別為低溫斜方相和高溫四方相。PUZrO-IOS03040506070B090PbTiOjMOLE%POT。一O*WHnlMHMdHuL圖1-1FZT固溶體和圖-Tf

3、etxaronslKhombdidnil(R3mTR3c)圖2PZT四方相和三方相的晶體結(jié)構(gòu)m如圖1-2所示10，對(duì)于四方相，自發(fā)極化方向沿著六個(gè)<100>方向中的一個(gè)方向進(jìn)行，而三方相的自發(fā)極化方向沿著八個(gè)<111>方向中的一個(gè)方向進(jìn)行。由于自發(fā)極化方向的不同，在不同的晶體結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生不同種類的電疇，在四方相中產(chǎn)生180°和90°電疇，三方相中產(chǎn)生180°、109°、71°電疇。一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康模罕緦?shí)驗(yàn)主要是通過對(duì)具有壓電性能的陶瓷材料PZT（錯(cuò)鈦酸鉛）的制備來掌握特種陶瓷材料的整個(gè)工藝流程，并掌握一定的性能測(cè)試手段。二、實(shí)

4、驗(yàn)儀器：電子天平、粉末壓片機(jī)、箱式電阻爐、成型模具、溫度控制儀、準(zhǔn)靜態(tài)d33測(cè)量?jī)x、極化裝置、阻抗分析儀等。三、實(shí)驗(yàn)原理：實(shí)驗(yàn)室制備PZT壓電陶瓷的工藝路線為：配方設(shè)計(jì)一PZT粉體混合研磨制備一預(yù)燒一成型一排塑一燒結(jié)一上電極一極化一性能測(cè)試PZT粉體制備PZT壓電陶瓷的粉體制備方法一般包括：固相法和液相法。傳統(tǒng)固相法具有產(chǎn)量高、易于工藝等優(yōu)點(diǎn)；液相法包括：溶膠一凝膠法、水熱法以及沉淀法，沉淀法又包括分步沉淀法和共沉淀法。其中，溶膠-凝膠法和水熱法研究較多。預(yù)燒混合后，壓電坯料一般以粉末或顆粒的形式進(jìn)行煨燒，煨燒的目的是：1、出結(jié)結(jié)合水、碳酸鹽中的二氧化碳和可揮發(fā)物質(zhì)；2、使組成中的氧化物產(chǎn)生熱

5、化學(xué)反應(yīng)而形成所希望的固溶體；因?yàn)榉磻?yīng)結(jié)果，又減少了再最后燒成的體積收縮。理想上，煨燒溫度要選的高一些，使得能夠發(fā)生完全反應(yīng)；但太高的溫度以后不容易研磨，且一些易揮發(fā)氧化物(如Pb的化合物)容易揮發(fā)造成比例失調(diào)。研磨研磨可以使原先存在的不均勻性和煨燒產(chǎn)生的不均勻性得到改善。如果過粗，則陶瓷顆粒間會(huì)有大的空隙，同時(shí)降低燒結(jié)密度，如果太細(xì)，則他的膠體性質(zhì)可能妨礙后來的成型。成型成型方法主要有注漿成型、可塑成型、模壓成型以及等靜壓成型法。排塑成型后的制品要在一定的溫度下進(jìn)行排塑，排塑的目的，就是在一定的溫度下，除了使在成型過程中所加入的粘結(jié)劑全部揮發(fā)跑掉以外，還使坯件具有一定的機(jī)械強(qiáng)度。燒結(jié)當(dāng)前PZ

6、T陶瓷燒結(jié)主要采用的是傳統(tǒng)固相燒結(jié)，它雖然操作簡(jiǎn)單，但由于燒結(jié)溫度過高，存在著嚴(yán)重不足。首先，高溫下PbO容易揮發(fā)損失，造成PZT材料化學(xué)組分不能精確控制，影響了材料的使用性能，同時(shí)增加了對(duì)環(huán)境的污染；其次，由于錯(cuò)離子的活動(dòng)性差，對(duì)富銘PZT陶瓷燒結(jié)十分困難，需要非常高的溫度，導(dǎo)致設(shè)備要求和能耗增加。為克服以上不足，各國(guó)學(xué)者進(jìn)行了大量研究，積極尋找先進(jìn)的燒結(jié)方法和合理的燒結(jié)工藝。改進(jìn)的固相燒結(jié)；添加燒結(jié)助劑實(shí)現(xiàn)液相燒結(jié)；反應(yīng)燒結(jié)(反應(yīng)燒結(jié)即在組分相發(fā)生反應(yīng)的同時(shí)致密化，粉體合成和燒結(jié)一步完成)；采用特殊裝置和手段實(shí)現(xiàn)燒結(jié)(熱壓燒結(jié)是利用塑性流動(dòng)、離子重排和擴(kuò)散對(duì)材料進(jìn)行致密化，微波燒結(jié))。四、

7、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容及步驟：1. PZT粉料的稱量與預(yù)燒(1)原料準(zhǔn)備：Pb3O4、TiO2、ZrO2等；(2)按照上個(gè)實(shí)驗(yàn)中所設(shè)計(jì)的配方，將原料在電子天平上進(jìn)行稱量；(3)將稱量好的原料倒入研缽中，加入適量酒精將原料混合均勻，并研磨到一定細(xì)度(大約30分鐘)；(4)將混合好的粉料烘干，然后放入電爐中進(jìn)行預(yù)燒，預(yù)燒制度：室溫-500C,240C/h;500-700C,120C/h,700c保溫1h;700-900C,120C/h,900c保溫2-3h。達(dá)到保溫時(shí)間后，關(guān)閉電爐電源，隨爐冷卻，爐溫下降到200c以下，坯件即可出爐。2. PZT粉料的造粒與成型（1）將預(yù)燒好的粉料再進(jìn)行研磨（大約30分鐘），然

8、后加入濃度為5%的聚乙烯醇（PVA）水溶液大約3-4滴，混合均勻后將其烘干；（2）用壓片機(jī)將烘干的粉料壓制成直徑10mm,厚度約1.1mm的圓片。要求圓片無(wú)裂紋、不分層，至少壓成4片符合要求的圓片。3. PZT陶瓷的預(yù)燒排塑與燒結(jié)將圓片放置在氧化鋁塔塌板上，并用塔竭蓋上，然后放入電爐中進(jìn)行預(yù)燒排塑和燒結(jié)。預(yù)燒排塑和燒結(jié)是兩個(gè)獨(dú)立的工藝環(huán)節(jié)，預(yù)燒排塑后應(yīng)該使樣品完全冷卻后再進(jìn)行燒結(jié)工藝進(jìn)行。預(yù)燒排塑工藝制度：升溫速率：0-100C50C/h;100-500C120C/h;500-870C180C/h（h-小時(shí)）。預(yù)燒溫度：870C±10C保溫時(shí)間：2h,當(dāng)達(dá)到保溫時(shí)間后，關(guān)閉電源，隨爐

9、冷卻至200c以下，便可出爐。燒結(jié)制度：燒結(jié)溫度視配方不同而變化。燒結(jié)溫度在1200-1300±30C之間，保溫時(shí)間為1-2h。升溫速率控制在300C/ho4. PZT陶瓷的上電極與極化用細(xì)砂紙將陶瓷片打磨平整光滑；在光滑的陶瓷表面上鍍上電極，然后用耐壓測(cè)試儀進(jìn)行極化。5. PZT陶瓷的電學(xué)性能測(cè)試?yán)脭?shù)字電橋測(cè)試陶瓷的電容量和介電損耗，利用準(zhǔn)靜態(tài)d33測(cè)量?jī)x測(cè)試樣品的壓電常數(shù)，利用阻抗分析儀測(cè)試樣品的機(jī)電耦合系數(shù)kp等。介電常數(shù)采用的計(jì)算公式：彳=4Ct/n%d2,C為電容（F）,t為樣品的厚度（m）,d為樣品的直徑（m）,0為真空介電常數(shù)8.85M0-12（F/m）。注意事項(xiàng)：由

10、于PZT陶瓷為含鉛陶瓷，其燒結(jié)溫度也較高，這樣氧化鉛在高溫環(huán)境下具有相當(dāng)高的飽和蒸氣壓，從而導(dǎo)致鉛的揮發(fā)，其飽和蒸氣壓越高，鉛揮發(fā)的越厲害，且隨著錯(cuò)/鈦比的增加，氧化鉛的飽和蒸氣壓逐漸增大，使鉛揮發(fā)變的更為嚴(yán)重，從而造成化學(xué)組分偏離計(jì)量。當(dāng)前，對(duì)于鉛揮發(fā)一般采取的措施為：1、 在粉體合成時(shí)加入過量的鉛。一方面為彌補(bǔ)由于鉛揮發(fā)造成計(jì)量的偏離，使最終產(chǎn)品的組分接近化學(xué)計(jì)量；另一方面，過量鉛的加入也可在燒結(jié)初期形成液相，以增加反應(yīng)物的接觸面積，加速錯(cuò)、鈦和摻雜物的擴(kuò)散，提高制品的燒結(jié)致密性和均勻性。但鉛的加入量應(yīng)適量，太多或太少都將對(duì)最終產(chǎn)品的性能造成影響。2、 制得高活性的PZT粉體，以圖在較低的溫度下實(shí)現(xiàn)致密化