压电陶瓷的压电原理及制作工艺ppt课件

《压电陶瓷的压电原理及制作工艺ppt课件》由会员分享，可在线阅读，更多相关《压电陶瓷的压电原理及制作工艺ppt课件（160页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。

1、 压电陶瓷压电原理、压电陶瓷压电原理、 应用与制作工艺应用与制作工艺内内 容容压电陶瓷的用途压电陶瓷的用途压电陶瓷的压电原理压电陶瓷的压电原理压电陶瓷的制作工艺压电陶瓷的制作工艺配料配料预烧预烧混合和粉碎混合和粉碎成型与排塑成型与排塑 烧结烧结 极化极化压电陶瓷的压电原理压电陶瓷的压电原理压电现象与压电效应压电现象与压电效应压电陶瓷因受力压电陶瓷因受力形变而产生电的形变而产生电的效应，称为效应，称为正压正压电效应电效应。压电陶瓷点火示意图压电陶瓷点火示意图 气体喷嘴气体喷嘴高高压压引引线线压压电电振振子子磷磷铜铜片片压压电电振振子子外外壳壳叩叩击击机机构构压电蜂压电蜂鸣器鸣器 压电陶瓷的压电原

2、理压电陶瓷的压电原理压电现象与压电效应压电现象与压电效应 压电陶瓷因加电压而产生形变的效应，称压电陶瓷因加电压而产生形变的效应，称为为逆压电效应逆压电效应。 节点支承节点支承边缘支承边缘支承中心支承中心支承压电陶瓷内部结构压电陶瓷内部结构( (压电陶瓷是多晶体压电陶瓷是多晶体) ) 压电陶瓷的压电原理压电陶瓷的压电原理 压电陶瓷压电陶瓷由由小晶粒小晶粒无规无规则镶嵌成，如则镶嵌成，如图所示。图所示。 BSPTBSPT压电陶瓷断面压电陶瓷断面SEMSEM照片照片 压电陶瓷的压电原理压电陶瓷的压电原理压电陶瓷内部结构压电陶瓷内部结构( (压电陶瓷是多晶体压电陶瓷是多晶体) )陶瓷显微结构陶瓷显微结

3、构 每个小晶粒微每个小晶粒微观上是由原子或离观上是由原子或离子有规则排列成子有规则排列成晶晶格格，可看为一粒小，可看为一粒小单晶。单晶。 原子在空间排列成晶格示意图原子在空间排列成晶格示意图压电陶瓷的压电原理压电陶瓷的压电原理压电陶瓷内部结构压电陶瓷内部结构( (压电陶瓷是多晶体压电陶瓷是多晶体) ) 每个小晶粒内还具有每个小晶粒内还具有铁电畴铁电畴。 PZTPZT陶瓷中电畴结构显微照片陶瓷中电畴结构显微照片压电陶瓷的压电原理压电陶瓷的压电原理压电陶瓷内部结构压电陶瓷内部结构( (压电陶瓷是多晶体压电陶瓷是多晶体) ) 整体看来，整体看来，晶粒与晶粒的晶晶粒与晶粒的晶格方向不一定相格方向不一定

4、相同，排列是无规同，排列是无规则的。这样的结则的。这样的结构称其为构称其为多晶体多晶体。晶粒的晶格取向示意图晶粒的晶格取向示意图压电陶瓷的压电原理压电陶瓷的压电原理压电陶瓷内部结构压电陶瓷内部结构( (压电陶瓷是多晶体压电陶瓷是多晶体) )钙钛矿型的晶胞结构钙钛矿型的晶胞结构压电陶瓷的压电原理压电陶瓷的压电原理压电陶瓷内部结构压电陶瓷内部结构( (压电陶瓷的晶胞压电陶瓷的晶胞) ) 压电压电陶陶瓷的晶胞瓷的晶胞结结构随温度的构随温度的变变化有所化有所变变化。化。钛酸钡晶胞结构随温度的转变钛酸钡晶胞结构随温度的转变压电陶瓷的压电原理压电陶瓷的压电原理压电陶瓷内部结构（晶胞与自发极化）压电陶瓷内部

5、结构（晶胞与自发极化） 这种电极化不是由外电场产生，而是由晶体自这种电极化不是由外电场产生，而是由晶体自身产生的，所以成为身产生的，所以成为自发极化自发极化，其相变温度，其相变温度TC称称为为居里温度居里温度。BTBT中自发极化产生示意图中自发极化产生示意图 压电陶瓷的压电原理压电陶瓷的压电原理压电陶瓷内部结构（晶胞与自发极化）压电陶瓷内部结构（晶胞与自发极化）c轴方向决定自发极化取向轴方向决定自发极化取向能量最低原则决定畴结构能量最低原则决定畴结构晶粒中形成晶粒中形成一定的小区一定的小区排列状排列状态态畴畴结结构构晶胞自晶胞自发发极化取向极化取向一致小区的存在一致小区的存在自自发发极化取向不

6、一极化取向不一致小区的搭配致小区的搭配晶格匹配要求晶格匹配要求能量最低要求能量最低要求相结构决定畴壁类型相结构决定畴壁类型压电陶瓷的压电原理压电陶瓷的压电原理压电陶瓷内部结构（电畴形成）压电陶瓷内部结构（电畴形成）压电陶瓷的压电原理压电陶瓷的压电原理 因为晶粒为四方相时，自发极化取向与原因为晶粒为四方相时，自发极化取向与原反应立方相三个晶轴之一平行，所以，相邻两反应立方相三个晶轴之一平行，所以，相邻两个畴中自发极化方向只能成个畴中自发极化方向只能成90角或角或180角，角，相应电畴交界面就分别称为相应电畴交界面就分别称为90畴壁畴壁和和180畴畴壁壁。 四方相晶体四方相晶体90畴壁和畴壁和18

7、0畴畴示意图示意图 压电陶瓷内部结构（电畴形成）压电陶瓷内部结构（电畴形成）电畴在外电场作用下的运动电畴在外电场作用下的运动 a a）极化前）极化前 （b b）极化过程（）极化过程（c c）极化后）极化后 压电陶瓷在极化中电畴变化示意图压电陶瓷在极化中电畴变化示意图压电陶瓷的压电原理压电陶瓷的压电原理压电陶瓷内部结构（电畴的运动）压电陶瓷内部结构（电畴的运动） 在交变电场作用下，在交变电场作用下，因电畴与自发极化的运动，因电畴与自发极化的运动，压电陶瓷可观察到压电陶瓷可观察到电滞回电滞回线线，即具有，即具有铁电性铁电性 。 图中，图中，PS为自发极化为自发极化强度，强度，Pr为剩余极化强度，为

8、剩余极化强度，EC为矫顽场强。压电陶瓷为矫顽场强。压电陶瓷极化工序中，一般选择电极化工序中，一般选择电场强度为场强度为2-3倍的倍的EC。压电陶瓷的压电原理压电陶瓷的压电原理压电陶瓷内部结构（电畴与电滞回线）压电陶瓷内部结构（电畴与电滞回线）第一次极化第一次极化以后的极化以后的极化压电效应的再理解压电效应的再理解瓷片内束缚电荷与电极上吸附自由电荷示意图瓷片内束缚电荷与电极上吸附自由电荷示意图 压电陶瓷的压电原理压电陶瓷的压电原理正压电效应示意图正压电效应示意图 瓷片压缩，极化瓷片压缩，极化强度变小，释放部分强度变小，释放部分吸附自由电荷，出现吸附自由电荷，出现放电现象。放电现象。F撤除，撤除，

9、 瓷片回复原状，极化瓷片回复原状，极化强度变大，吸附一些强度变大，吸附一些自由电荷，出现充电自由电荷，出现充电现象。这种由机械能现象。这种由机械能转变为电能的现象，转变为电能的现象，称为称为正压电效应正压电效应。压电陶瓷的压电原理压电陶瓷的压电原理压电效应的再理解压电效应的再理解逆压电效应示意图逆压电效应示意图 在瓷片上施加在瓷片上施加与极化方向相同电与极化方向相同电场。极化强度增大，场。极化强度增大，瓷片发生伸长形变。瓷片发生伸长形变。反之则发生缩短形反之则发生缩短形变。这种由电能转变。这种由电能转变为机械能的现象，变为机械能的现象，称为称为逆压电效应逆压电效应。压电陶瓷的压电原理压电陶瓷的

10、压电原理压电效应的再理解压电效应的再理解 作为介电材料，可用介电系数作为介电材料，可用介电系数，介电损耗，介电损耗tgtg，绝缘电阻率，绝缘电阻率和抗电强度和抗电强度E Eb b等表征。等表征。压电陶瓷的主要参数压电陶瓷的主要参数 作为压电材料，还必须补充一些参数：作为压电材料，还必须补充一些参数： 压电系数压电系数d d、g g 机电耦合系数机电耦合系数k k 机械品质因素机械品质因素Q Qm m 频率系数频率系数N N压电系数压电系数d ：单位机械应力：单位机械应力T T所产生的电位移所产生的电位移D D 反映应力（应变）和电场（电位移）间的关系反映应力（应变）和电场（电位移）间的关系反映

11、应力（应变）和电场（电位移）间的关系反映应力（应变）和电场（电位移）间的关系压电陶瓷的主要参数压电陶瓷的主要参数常用的为横向压电系数常用的为横向压电系数d31和纵向压电系数和纵向压电系数d33（脚（脚标第一位数字表示压电陶瓷的极化方向；第二位标第一位数字表示压电陶瓷的极化方向；第二位数字表示机械振动方向）。数字表示机械振动方向）。 d=D/T（C/N）（m/V）或：单位电场强度或：单位电场强度V/xV/x所产生的应变所产生的应变x/x x/x 压电电压系数压电电压系数g g：单位应力：单位应力T T所产生的电场强度所产生的电场强度E E；或单位电荷所产生的形变。或单位电荷所产生的形变。 （Vm

12、/N） 压电陶瓷的主要参数压电陶瓷的主要参数d d和和g g在不同的角度反映了材料的压电性能，在不同的角度反映了材料的压电性能，d d用得用得较为普遍，较为普遍，g g常用于接收型换能器、拾音器，高压常用于接收型换能器、拾音器，高压发生器等场合。发生器等场合。 机电耦合系数机电耦合系数k 或或 压电陶瓷的主要参数压电陶瓷的主要参数 kp是压电材料进行机械能是压电材料进行机械能-电能转换的能力反映。电能转换的能力反映。它与材料的压电系数、它与材料的压电系数、和弹性常数等有关，是一个和弹性常数等有关，是一个比较综合的参数。比较综合的参数。 机电耦合系数反映了机械能和电能之间的转换机电耦合系数反映了

13、机械能和电能之间的转换程度，由于转换不可能完全，总有一部分能量以热程度，由于转换不可能完全，总有一部分能量以热能、声波等形式损失或向周围介质传播，因而能、声波等形式损失或向周围介质传播，因而k总是总是小于小于1的。的。 不同材料的不同材料的k k值不同；同种材料由于振动方式值不同；同种材料由于振动方式不同，不同，k k值也不同。值也不同。 常用的有横向机电耦合系数常用的有横向机电耦合系数k k3131、纵向机电耦合、纵向机电耦合系数系数k k33 33 、以及沿圆片的半径方向振动的平面机、以及沿圆片的半径方向振动的平面机电耦合系数电耦合系数k kp p（或称径向机电耦合系数（或称径向机电耦合系

14、数k kr r）。）。压电陶瓷的主要参数压电陶瓷的主要参数Z振动方向振动方向Y条状振子条状振子K31（横向耦机电合系数）（横向耦机电合系数）X极极化化方方向向Z极极化化方方向向振振动动方方向向柱状振子柱状振子K33（纵向机电耦合系数）（纵向机电耦合系数）Z极极化化方方向向圆片振子圆片振子Kp（平面机电耦合系数）（平面机电耦合系数）Kr（径向机电耦合系数）（径向机电耦合系数）压电陶瓷的主要参数压电陶瓷的主要参数 机械品质因素机械品质因素Qm压电陶瓷的主要参数压电陶瓷的主要参数 逆逆压压电电效效应应使使压压电电材材料料产产生生形形变变，形形变变又又会会产产生生电电信信号号，如如果果压压电电元元件件

15、上上加加上上交交流流信信号号，频频率率与与元元件件（振振子子）的的固固有有振振动动频频率率fT相相等等时时，便便产产生生谐谐振振。振振动动时时晶晶格格形形变变产产生生内内摩摩擦擦，而而损损耗耗一一部部分分能能量量（转转换换成成热热能能）。为为了了反反映映谐谐振振时时的的这这种种损损耗耗程程度度而而引引入入Qm这这个个参参数数，Qm越越高高，能能量量的损耗就越小。的损耗就越小。压电陶瓷的主要参数压电陶瓷的主要参数 在滤波器、谐振换能器、压电音叉等谐振子中，在滤波器、谐振换能器、压电音叉等谐振子中，要求高的要求高的Qm值值。 频率系数频率系数N ：压电振子的谐振频率压电振子的谐振频率f0与振动方向

16、与振动方向上线度的乘积。上线度的乘积。只与材料性质相关，而与尺寸因素无关。只与材料性质相关，而与尺寸因素无关。压电陶瓷的主要参数压电陶瓷的主要参数压电陶瓷的用途压电陶瓷的用途应应用用领领域域举举 例例电电源源压电变压压电变压器器雷达，雷达，电视显电视显像管，阴极射像管，阴极射线线管，盖克技管，盖克技术术管，管，激光管和激光管和电电子复制机等高子复制机等高压电压电源和源和压电压电点火装置点火装置信号源信号源标标准信号源准信号源振振荡荡器，器，压电压电音叉，音叉，压电压电音片等用作精密音片等用作精密仪仪器中器中的的时间时间和和频频率率标标准信号源准信号源信号信号转换转换电电声声换换能器能器拾声器，

17、送拾声器，送话话器，受器，受话话器，器，扬扬声器，蜂声器，蜂鸣鸣器等声器等声频频范范围围的的电电声器件声器件发发射射 与接收与接收超声超声换换能器能器超声切割，超声切割，焊焊接，清洗，接，清洗，搅搅拌，乳化及超声拌，乳化及超声显显示示等等频频率高于率高于20KHz的超声器件，的超声器件，压电马压电马达，探达，探测测地地质质构造，油井固构造，油井固实实程度，无程度，无损损探探伤伤和和测测厚，催厚，催化反化反应应，超声衍射，疾病，超声衍射，疾病诊诊断等各种工断等各种工业业用的超用的超声器件声器件水声水声换换能器能器水下水下导导航定位，通航定位，通讯讯和探和探测测的声的声纳纳，超声探，超声探测测，鱼

18、鱼群探群探测测和和传传声器等声器等信信号号 处处理理滤滤波器波器通通讯讯广播中所用各种分立广播中所用各种分立滤滤波器和复合波器和复合滤滤波器，如彩波器，如彩电电中中频滤频滤波器；雷达，自控和波器；雷达，自控和计计算系算系统统所用所用带带通通滤滤波器，脉冲波器，脉冲滤滤波器等波器等放大器放大器声表面信号放大器以及振声表面信号放大器以及振荡荡器，混器，混频频器，衰减器，隔离器等器，衰减器，隔离器等表面波表面波导导声表面波声表面波传输线传输线传传感感与与计计测测加速度加速度计计压压力力计计工工业业和航空上和航空上测测定振定振动动体或体或飞飞行器工作状行器工作状态态加速度加速度计计，自，自动动控控制开

19、关，制开关，污污染染检测检测用振用振动计动计以及流速以及流速计计，流量，流量计计和液面和液面计计等等角速度角速度计计测测量物体角速度及控制量物体角速度及控制飞飞行器航向的行器航向的压电压电陀螺陀螺红红外探外探测计测计监视领监视领空，空，检测检测大气大气污污染染浓浓度，非接触式度，非接触式测测温以及温以及热热成像，成像，热热电电探探测测、跟踪器等、跟踪器等位移与致位移与致动动器器激光激光稳频补偿稳频补偿元件，元件，显显微加工微加工设备设备及光角度，光程及光角度，光程长长的控制器的控制器存存贮贮调调制制电电光和声光光和声光调调制的光制的光阀阀，光，光闸闸，光，光变频变频器和光偏器和光偏转转器，声开

20、关器，声开关存存贮贮光信息存光信息存贮贮器，光器，光记忆记忆器器显显示示铁电显铁电显示器，声光示器，声光显显示器等示器等其它其它非非线线性元件性元件压电继电压电继电器等器等压电陶瓷的用途压电陶瓷的用途压电陶瓷的用途压电陶瓷的用途压电陶瓷泵压电陶瓷泵阀阀出口出口压电陶瓷压电陶瓷换能器换能器进口进口压电陶瓷的用途压电陶瓷的用途压电陶瓷喷墨打印压电陶瓷喷墨打印金属片金属片圆锥形容器圆锥形容器内液层内液层外墨水池外墨水池喷嘴喷嘴金属膜金属膜墨水墨水压电陶瓷压电陶瓷换能器换能器输入信号输入信号压电陶瓷的用途压电陶瓷的用途254311.焊接程序控制器；焊接程序控制器；2.超声发生器；超声发生器；3.换能器

21、声学系统；换能器声学系统；4.焊件；焊件；5.工作台工作台压电陶瓷超声波焊接压电陶瓷超声波焊接压电陶瓷的用途压电陶瓷的用途压电陶瓷超声波焊接压电陶瓷超声波焊接压电陶瓷的用途压电陶瓷的用途压电陶瓷加湿器压电陶瓷加湿器雾气出口雾气出口水箱水箱压电振子压电振子水水雾雾风机风机压电陶瓷的用途压电陶瓷的用途压电陶瓷加湿器压电陶瓷加湿器压电陶瓷的用途压电陶瓷的用途压电陶瓷变压器（升压型）压电陶瓷变压器（升压型）输入端输入端极化方向极化方向极化方向极化方向驱动部分驱动部分发电部分发电部分振动方向振动方向输出端输出端twl/2tw压电陶瓷的用途压电陶瓷的用途压电陶瓷变压器（降压型）压电陶瓷变压器（降压型）压电

22、陶瓷的用途压电陶瓷的用途 压电陶瓷压电陶瓷复印机电源复印机电源压电陶瓷的用途压电陶瓷的用途笔记本电脑背光电源笔记本电脑背光电源压电陶瓷的用途压电陶瓷的用途压电陶瓷变压器压电陶瓷变压器便携式激光电源便携式激光电源压电陶瓷的用途压电陶瓷的用途激光血管内激光血管内照射治疗仪照射治疗仪压电陶瓷的用途压电陶瓷的用途压电陶瓷极化台压电陶瓷极化台压电陶瓷的用途压电陶瓷的用途压电变压器电警棍压电变压器电警棍压电陶瓷的用途压电陶瓷的用途压电陶瓷变压器雷压电陶瓷变压器雷达显示器高压电源达显示器高压电源压电陶瓷的用途压电陶瓷的用途压电陶瓷变压器（升压型）压电陶瓷变压器（升压型）压电陶瓷的用途压电陶瓷的用途压电陶瓷变

23、压器（降压型）压电陶瓷变压器（降压型）压电陶瓷的用途压电陶瓷的用途压电陶瓷水声设备压电陶瓷水声设备（1 1）水声通讯）水声通讯仪；（仪；（2 2）主动）主动式声纳（回声式声纳（回声定位仪）；定位仪）；（3 3）被动式声）被动式声纳纳压电陶瓷的用途压电陶瓷的用途压电陶瓷超声马达（驻波型）压电陶瓷超声马达（驻波型）123451.1.压电元件；压电元件；2.2.弹性衬垫；弹性衬垫；3.3.弹簧；弹簧；4.4.转子；转子；5.5.磨衬垫磨衬垫压电陶瓷的用途压电陶瓷的用途压电陶瓷超声马达（行波型）压电陶瓷超声马达（行波型）压电陶瓷的用途压电陶瓷的用途压电陶瓷超声马达压电陶瓷超声马达压电陶瓷超声马达（行波

24、型）压电陶瓷超声马达（行波型）环形压电马达工作原理环形压电马达工作原理压电陶瓷的用途压电陶瓷的用途压电陶瓷超声马达压电陶瓷超声马达压电陶瓷的用途压电陶瓷的用途压电陶瓷超声马达压电陶瓷超声马达压电陶瓷的用途压电陶瓷的用途压电陶瓷超声马达压电陶瓷超声马达基于压电驱动器杆状微马达（摄像用）基于压电驱动器杆状微马达（摄像用）压电陶瓷的用途压电陶瓷的用途压电陶瓷超声马达压电陶瓷超声马达压电陶瓷的用途压电陶瓷的用途超声马达在国外已应用的领域超声马达在国外已应用的领域智能飞机磁悬浮列车汽车手机人造卫星细胞穿刺智能药片（压电泵）集成式 USM彩色复印机火星探测器半导体制造业照相机手表昆虫机器人变形机翼（应用压

25、电作动器）天文望远镜空中机器人太空机器手压电陶瓷的用途压电陶瓷的用途南京航空航天大学研制的部分超声马达及其应用南京航空航天大学研制的部分超声马达及其应用无磁性USM双模态步进USM三自由度USM带编码器USM大推力直线USM便携式汽油发动机云台控制系统方板型直线USM移动机器人核磁共振注射器关节机器手X-Y运动台（直线USM）行波型杆式USM模态转换型USM用于二元机翼模型试验非接触性USMX-Y运动台（旋转USM）压电陶瓷的用途压电陶瓷的用途压电陶瓷驱动器压电陶瓷驱动器压电陶瓷的用途压电陶瓷的用途压电陶瓷驱动器压电陶瓷驱动器压电陶瓷的用途压电陶瓷的用途压电陶瓷驱动器压电陶瓷驱动器基于压电驱动

26、器的全方位微移动平台基于压电驱动器的全方位微移动平台压电陶瓷的用途压电陶瓷的用途压电陶瓷超声清压电陶瓷超声清洗洗压电陶瓷的用途压电陶瓷的用途压电陶瓷换能器压电陶瓷换能器压电陶瓷的用途压电陶瓷的用途压电陶瓷电声元器件压电陶瓷电声元器件蜂鸣器蜂鸣器扬声器扬声器压电陶瓷的用途压电陶瓷的用途压电陶瓷电声元器件压电陶瓷电声元器件扬声器扬声器压电陶瓷的用途压电陶瓷的用途压电陶瓷电声元器件压电陶瓷电声元器件压电陶瓷的用途压电陶瓷的用途压电陶瓷探伤仪压电陶瓷探伤仪压电陶瓷的用途压电陶瓷的用途压电陶瓷测厚仪压电陶瓷测厚仪压电陶瓷的用途压电陶瓷的用途压电陶瓷点火元器件压电陶瓷点火元器件压电陶瓷的用途压电陶瓷的用途

27、压电陶瓷发电（框图）压电陶瓷发电（框图）压电陶瓷的用途压电陶瓷的用途压电陶瓷发电（鞋）压电陶瓷发电（鞋）压电陶瓷的用途压电陶瓷的用途基于压电陶瓷光纤的自供电系统及应用基于压电陶瓷光纤的自供电系统及应用 压电光纤用作能量采集器压电光纤用作能量采集器 压电陶瓷的制作工艺压电陶瓷的制作工艺压电陶瓷的制作过程主要步骤压电陶瓷的制作过程主要步骤 极极化化测测试试上上电电极极机机加加工工配配料料混混合合预预烧烧粉粉碎碎成成型型排排胶胶烧烧成成配料（原料的选择和处理）配料（原料的选择和处理） 压电陶瓷的制作工艺压电陶瓷的制作工艺 原料原料是制备压电陶瓷的是制备压电陶瓷的基础基础。选择原料一。选择原料一般应注

28、意其化学组成和物理状态。般应注意其化学组成和物理状态。 (1) 纯度纯度 对纯度的要求应适度。对纯度的要求应适度。高高纯原料，价格昂纯原料，价格昂贵，贵，烧结温度高，温区窄烧结温度高，温区窄。纯度。纯度稍低稍低的原料，的原料，有的杂质可起矿化和助熔的作用，反而使有的杂质可起矿化和助熔的作用，反而使烧结烧结温度较低，且温区较宽温度较低，且温区较宽。过低纯度原料杂质多，。过低纯度原料杂质多，不宜采用。不宜采用。 (2) 杂质含量杂质含量 压电陶瓷的制作工艺压电陶瓷的制作工艺配料（原料的选择和处理）配料（原料的选择和处理） 杂质允许量主要根据以下三点因素决定：杂质允许量主要根据以下三点因素决定： 1

29、) 杂质类型杂质类型 有害杂质有害杂质 对材料绝缘、介电对材料绝缘、介电性等影响极大的杂质，特别是异价离子。如性等影响极大的杂质，特别是异价离子。如B、C、P、S、Al等，愈少愈好。等，愈少愈好。 有利杂质有利杂质 与材料与材料A、B位离子电价相同、半径接近，能位离子电价相同、半径接近，能形成置换固溶的杂质。如形成置换固溶的杂质。如Ca2+、Sr2+、Ba2+、Mg2+、Sn4+、Hf4+等离子，一般在等离子，一般在0.20.5%范范围内，坏的影响不大，甚至有利围内，坏的影响不大，甚至有利。 压电陶瓷的制作工艺压电陶瓷的制作工艺 2) 材料类型材料类型配料（原料的选择和处理）配料（原料的选择和

30、处理） 接收型压电陶瓷材料接收型压电陶瓷材料 已引入了降低电导率和老化率的高价施主杂质，已引入了降低电导率和老化率的高价施主杂质，原料中在原料中在0.5%以内以内的杂质不足以显著影响施主杂质的杂质不足以显著影响施主杂质的既定作用。的既定作用。 发射型压电陶瓷材料发射型压电陶瓷材料 要求低机电损耗，因而配料中的杂质总量，愈少要求低机电损耗，因而配料中的杂质总量，愈少愈好，一般希望在愈好，一般希望在0.05%以下以下。对于为了提高其它。对于为了提高其它性能参数的有意添加物，另当别论。性能参数的有意添加物，另当别论。3)原料在配方中的比例原料在配方中的比例配料（原料的选择和处理）配料（原料的选择和处

31、理） 压电陶瓷的制作工艺压电陶瓷的制作工艺在在PZT配方中，比例大的原料配方中，比例大的原料Pb3O4、ZrO2、TiO2分别占重量比的分别占重量比的60%、20%和和18%左右，若杂质多，引入杂质总量也多。左右，若杂质多，引入杂质总量也多。因此，要求杂质总含量均不超过因此，要求杂质总含量均不超过2%，即要求，即要求纯度均在纯度均在98%以上。以上。 配方中比例小的其它原料，杂质总含量配方中比例小的其它原料，杂质总含量可稍高一些，一般均在可稍高一些，一般均在3%以下，即要求纯度以下，即要求纯度均在均在97%以上，特殊要求例外。以上，特殊要求例外。 压电陶瓷的制作工艺压电陶瓷的制作工艺(3) 稳

32、定性与活泼性稳定性与活泼性配料（原料的选择和处理）配料（原料的选择和处理） 稳定性稳定性是指未进行固相反应前原料本身的稳是指未进行固相反应前原料本身的稳定性。如碱金属和碱土金属氧化物易与水作用，定性。如碱金属和碱土金属氧化物易与水作用，在空气中不易保存，不稳定。如在空气中不易保存，不稳定。如Na、Ca、Ba、Sr、Mg的氧化物，不宜采用。宜采用与水不起的氧化物，不宜采用。宜采用与水不起作用、稳定的、加热又能分解出活泼性大的新鲜作用、稳定的、加热又能分解出活泼性大的新鲜氧化物的相应的碳酸盐。如氧化物的相应的碳酸盐。如Na2CO3、CaCO3、SrCO3、BaCO3、MgCO3等。等。 压电陶瓷的

33、制作工艺压电陶瓷的制作工艺 活泼性活泼性是指在固相反应中原料本身的活是指在固相反应中原料本身的活泼性。活泼性好的原料能促使固相反应完泼性。活泼性好的原料能促使固相反应完全，利于降低合成温度，减少铅挥发如全，利于降低合成温度，减少铅挥发如Pb3O4原料比原料比PbO原料活泼性好。因其在原料活泼性好。因其在加热中可分解脱氧成新鲜活泼性大的加热中可分解脱氧成新鲜活泼性大的PbO。配料（原料的选择和处理）配料（原料的选择和处理）(3) (3) 稳定性与活泼性稳定性与活泼性 压电陶瓷的制作工艺压电陶瓷的制作工艺(4) 颗粒度颗粒度配料（原料的选择和处理）配料（原料的选择和处理） 原料颗粒度要求原料颗粒度

34、要求小于小于0.2m，微量添加物应更，微量添加物应更细。这样，可增加混料接触面积，利于互扩散反细。这样，可增加混料接触面积，利于互扩散反应，使组成均匀。还可减小陶瓷内应力，增加机应，使组成均匀。还可减小陶瓷内应力，增加机械强度等。械强度等。 原料处理方面有以下常用方法：原料处理方面有以下常用方法： 采用的原料，若颗粒较粗，如采用的原料，若颗粒较粗，如MnO2、出厂、出厂未细磨的未细磨的ZrO2等等，必须细磨。可采取振磨、球磨、，必须细磨。可采取振磨、球磨、行星磨等，小量原料也可用研钵研细。行星磨等，小量原料也可用研钵研细。配料（原料的选择和处理）配料（原料的选择和处理） 压电陶瓷的制作工艺压电

35、陶瓷的制作工艺烘干烘干 为了不影响配料的准确性，含水原料必须为了不影响配料的准确性，含水原料必须进行烘干脱水处理。一般在电热式干燥箱中干进行烘干脱水处理。一般在电热式干燥箱中干燥。温度燥。温度110 120，时间不少于，时间不少于4小时，直至小时，直至无水分为止。无水分为止。化学分析化学分析 在大批量生产压电陶瓷时，每批购进的原在大批量生产压电陶瓷时，每批购进的原料，因制造或分装的厂商不同、批次的不同，料，因制造或分装的厂商不同、批次的不同，其质量可能不同。因此，应抽样化验其纯度或其质量可能不同。因此，应抽样化验其纯度或杂质，检测其颗粒度，以保证压电陶瓷的性能。杂质，检测其颗粒度，以保证压电陶

36、瓷的性能。(1)由原料的重量比来计算配方的方法由原料的重量比来计算配方的方法写出配写出配方的化学分子式；方的化学分子式；写出原料分子式、纯度，查写出原料分子式、纯度，查出分子量；出分子量；用以下公式计算各原料所需用量用以下公式计算各原料所需用量 (i=1，2，n) (1) 压电陶瓷的制作工艺压电陶瓷的制作工艺配料（配方计算）配料（配方计算）式中式中xi为为原料的原料的mol数，数，Mi为为mol质质量，量，xiMi为质为质量，量，Pi为纯为纯度；度； 为配方量；为配方量；W为总配料用量。为总配料用量。(2)由原料由原料mol数比例来数比例来计计算配方的方法算配方的方法:写出写出配方的化学分子式

37、配方的化学分子式;写出所用原料的分子式、写出所用原料的分子式、纯纯度，并度，并查查出其分子量出其分子量(mol质质量量);用以下公式用以下公式计计算各原料所需用量算各原料所需用量: (i=1，2，n) (2) 式中式中X为配料总为配料总mol数，其它同上。该方法计算比数，其它同上。该方法计算比较简单，特别是配方中以较简单，特别是配方中以mol百分比给出添加物百分比给出添加物时，常用此法。时，常用此法。 压电陶瓷的制作工艺压电陶瓷的制作工艺配料（配方计算）配料（配方计算） 压电陶瓷的制作工艺压电陶瓷的制作工艺称料要求：称料要求： 称料与投料按称料与投料按大料大料 小料小料 大料大料顺顺序序，以保

38、，以保证证小料在混合中的均匀性。小料在混合中的均匀性。严严防各原料算防各原料算错错、称、称错错、投投错错，要仔，要仔细检查细检查，严严格核格核对对 配料（称料）配料（称料） 称料天平称料天平须须有一定精度。批量生有一定精度。批量生产产中中,大料大料用用0.1 克精度天平，小料用克精度天平，小料用0.01 克精度天平。克精度天平。 称料要称料要误误差小，速度快，以减少原料吸收差小，速度快，以减少原料吸收空气中水分而造成的空气中水分而造成的误误差。差。混合和粉碎混合和粉碎 混合混合是将称量好的原料混合均匀、相互接触，是将称量好的原料混合均匀、相互接触，以利于预烧时充分的化学反应。以利于预烧时充分的

39、化学反应。 压电陶瓷的制作工艺压电陶瓷的制作工艺 粉碎粉碎是将预烧好料块细化，达到一定的平均粒是将预烧好料块细化，达到一定的平均粒度和粒度分布，为成型和烧成创造有利条件。度和粒度分布，为成型和烧成创造有利条件。 (1) (1)工艺方法工艺方法 使用球磨机使用球磨机( (滚筒式、行星式、搅拌式和振动滚筒式、行星式、搅拌式和振动式等球磨机式等球磨机) )，加磨球，加磨球( (钢球、玛瑙球、锆球等钢球、玛瑙球、锆球等) )与介质与介质( (水、酒精等水、酒精等) )，对原料进行机械混合或粉，对原料进行机械混合或粉碎。碎。(2) 工艺原理工艺原理 磨球靠电动机产生离心力、摩擦力和地心引力磨球靠电动机产

40、生离心力、摩擦力和地心引力的共同作用，形成碰撞、循环翻动和自转等运动，的共同作用，形成碰撞、循环翻动和自转等运动，使介于其中的粉料受到冲击和摩擦研磨，从而达到使介于其中的粉料受到冲击和摩擦研磨，从而达到混合与粉碎细化。混合与粉碎细化。混合和粉碎混合和粉碎 压电陶瓷的制作工艺压电陶瓷的制作工艺(3) 球磨工艺球磨工艺 具体球磨工艺视不同球磨机而定，其合理的工具体球磨工艺视不同球磨机而定，其合理的工艺参数要通过实验结果艺参数要通过实验结果(球磨后混合均匀程度、粉料球磨后混合均匀程度、粉料粒度大小与分布、混杂量、效率和成本等粒度大小与分布、混杂量、效率和成本等)优选，也优选，也可借鉴相关工艺参数。可

41、借鉴相关工艺参数。(4) (4) 球磨球磨质质量的主要影响因素量的主要影响因素 ： 球磨机球磨机转转速速（视视球磨机球磨机类类型、球磨罐大小等确定）型、球磨罐大小等确定）； 球球磨罐磨罐( (直径、内直径、内衬衬材料等材料等) )； 磨球磨球( (比重、硬度、比重、硬度、形状、磨形状、磨损损率率 ； 粉料填充量粉料填充量(60%(60%左左右右) )；粉料、球与磨介的比例（视粉料的吸水粉料、球与磨介的比例（视粉料的吸水性、球比重确定）；性、球比重确定）；磨介的作用磨介的作用( (粘附、劈裂、粘附、劈裂、流动、分散等流动、分散等) )；球磨时间（视球磨机类型、球磨时间（视球磨机类型、进料粒度而定

42、）；进料粒度而定）；球磨方式球磨方式( (干法、湿法干法、湿法) ) 压电陶瓷的制作工艺压电陶瓷的制作工艺混合和粉碎混合和粉碎 压电陶瓷的制作工艺压电陶瓷的制作工艺预烧预烧 预烧预烧(合成合成)是通过原料中原子或离子之间在加热作是通过原料中原子或离子之间在加热作用下的扩散来完成固相化学反应，生成瓷料的过程。用下的扩散来完成固相化学反应，生成瓷料的过程。(1) 预烧预烧的目的的目的 使各原料的固相化学反应充分均匀，生成组成固使各原料的固相化学反应充分均匀，生成组成固定的固溶体，形成主晶相。定的固溶体，形成主晶相。 排除原料中的二氧化碳和水分等，减小坯体的烧排除原料中的二氧化碳和水分等，减小坯体的

43、烧成收缩、变形，以便于控制产品外形尺寸。成收缩、变形，以便于控制产品外形尺寸。(2) PZT压电瓷料的合成过程压电瓷料的合成过程 分析合成过程是理解与制定预烧工艺的基础。分析合成过程是理解与制定预烧工艺的基础。 压电陶瓷的制作工艺压电陶瓷的制作工艺预烧预烧对对于于PZT瓷料的合瓷料的合成成过过程，人程，人们们通通过过差差热热分析、化学分分析、化学分析、析、X射射线线分析等分析等手段手段获获得的得的结结果果见见图图所示。所示。PZT形成的差形成的差热热曲曲线线 压电陶瓷的制作工艺压电陶瓷的制作工艺 PZT合成时各相的变化合成时各相的变化 预烧预烧 压电陶瓷的制作工艺压电陶瓷的制作工艺 由图中以由

44、图中以Pb3O4为原料的差热曲线可知：为原料的差热曲线可知： 630的吸热效应是因的吸热效应是因Pb3O4分解为分解为PbO引引起，并开始形成起，并开始形成PbTiO3，到，到650形成形成PbTiO3的反应最为显著。的反应最为显著。预烧预烧 790是是PbOZrO2PbZrO3三元共融液三元共融液形成温度，但因为这时大量存在的形成温度，但因为这时大量存在的PT 马上与马上与PZ生成生成PZT固溶体，所以这也是固溶体，所以这也是PZT开始形成开始形成的温度，该反应到的温度，该反应到850基本完成。基本完成。 压电陶瓷的制作工艺压电陶瓷的制作工艺预烧预烧 压电陶瓷的制作工艺压电陶瓷的制作工艺反反

45、应应B B：625625800 800 反反应应C C：800800以上以上 反应反应A A：350350680680预烧预烧预烧过程中相是随预烧过程中相是随温度变化的。由图温度变化的。由图可以把反应按温度可以把反应按温度范围分成三段：范围分成三段： 压电陶瓷的制作工艺压电陶瓷的制作工艺(3) 预烧工艺预烧工艺预烧预烧1) 装钵装钵 将粉料装钵，并压紧、扎孔、加盖入将粉料装钵，并压紧、扎孔、加盖入 炉。炉。 500前炉门微开，之后关炉门。前炉门微开，之后关炉门。 2) 加热条件加热条件(以典型以典型PZT为例为例) 升温速率升温速率：视炉内装料多少而定。：视炉内装料多少而定。 最高温度最高温度

46、：850左右左右(视配方而变化视配方而变化) 保温时间保温时间：650左右保温左右保温1-2小时，以生成小时，以生成PT。 850左右保温左右保温2小时，以生成小时，以生成PZT。 降温速率降温速率：关电随炉冷却，至：关电随炉冷却，至200以下出炉。以下出炉。 炉内气氛炉内气氛：以中性或氧化气氛为好；还原气氛导致：以中性或氧化气氛为好；还原气氛导致 料粉还原发黑。硅碳棒炉好于电阻丝炉。料粉还原发黑。硅碳棒炉好于电阻丝炉。 压电陶瓷的制作工艺压电陶瓷的制作工艺(4) 预烧瓷料质量要求预烧瓷料质量要求 外观外观：颜色正常、均匀一致；有一定膨胀或收：颜色正常、均匀一致；有一定膨胀或收缩缩 (视具体配

47、方视具体配方)；硬度适中。；硬度适中。 化学分析化学分析：游离锆、钛、铅少，小于：游离锆、钛、铅少，小于0.5% 相分析相分析：为钙钛矿相，无杂相。：为钙钛矿相，无杂相。预烧预烧(5) 影响预烧的因素影响预烧的因素 原料活性及颗粒度原料活性及颗粒度 其制约关系有其制约关系有 压电陶瓷的制作工艺压电陶瓷的制作工艺上式中，上式中，t为为固相反固相反应应完全所需完全所需时间时间；r为颗为颗粒直粒直径；径；D0为扩为扩散散频频率因子；率因子；Q为为激活能；激活能；T为为温度；温度；k为为常数。常数。 这说这说明，固相反明，固相反应应速度与原料速度与原料扩扩散状况散状况(D0)、活性（活性（ ）、温度成

48、正比，而与原料颗粒平均）、温度成正比，而与原料颗粒平均直径成反比。直径成反比。预烧预烧 合成温度合成温度(以上已说明以上已说明)。 升温速率和保温时间。升温速率和保温时间。 坯料压紧力。坯料压紧力。 炉内温度均匀性、气氛等。炉内温度均匀性、气氛等。 压电陶瓷的制作工艺压电陶瓷的制作工艺预烧预烧成型成型 压电陶瓷的制作工艺压电陶瓷的制作工艺 成型成型就是将瓷料压制成所需要的形状规格的坯就是将瓷料压制成所需要的形状规格的坯体，并为烧结创造条件。体，并为烧结创造条件。 坯体成型的方式和方法很多，如坯体成型的方式和方法很多，如压力成型法压力成型法、可塑成型法可塑成型法和和浆料成型法浆料成型法等，每大类

49、成型法中又等，每大类成型法中又可分为若干具体成型方法。可以根据制品的形状、可分为若干具体成型方法。可以根据制品的形状、规格、大小来选择使用，但各有利弊。这里仅介规格、大小来选择使用，但各有利弊。这里仅介绍广泛采用的干压成型法。绍广泛采用的干压成型法。 干压成型干压成型是将经过造粒的瓷料装入一定形状的钢是将经过造粒的瓷料装入一定形状的钢模内，借助于模塞，在一定外力下压制成坯体。模内，借助于模塞，在一定外力下压制成坯体。 压电陶瓷的制作工艺压电陶瓷的制作工艺成型成型干压成型原理干压成型原理 在外力作用下，瓷料颗粒在模具内在外力作用下，瓷料颗粒在模具内相互靠近，并借助内部作用力牢固地把各颗粒联系相互

50、靠近，并借助内部作用力牢固地把各颗粒联系起来，成为保持一定形状的坯体。起来，成为保持一定形状的坯体。干压坯体的结构干压坯体的结构：可看成由液相（粘合剂）层、空：可看成由液相（粘合剂）层、空气、瓷料颗粒组成的三相结合体系。气、瓷料颗粒组成的三相结合体系。内部作用力及其物理机制内部作用力及其物理机制：颗粒接触镶嵌引起的颗粒接触镶嵌引起的啮合力；啮合力；粘合剂在颗粒间微孔中的无细管压力；粘合剂在颗粒间微孔中的无细管压力；颗粒间、粘合剂和颗粒间的分子引力；颗粒间、粘合剂和颗粒间的分子引力；接触物接触物间电荷转移引起的静电吸引力。间电荷转移引起的静电吸引力。成型条件选择的一般原则成型条件选择的一般原则成

51、型成型 压电陶瓷的制作工艺压电陶瓷的制作工艺(1)加压方式加压方式 干压成型一般分干压成型一般分单向加压单向加压和和双向加压双向加压两种方两种方式。较薄制品可采用单向加压方式；厚制品宜式。较薄制品可采用单向加压方式；厚制品宜采用双向加压，以使坯体内密度较均匀。采用双向加压，以使坯体内密度较均匀。 压电陶瓷的制作工艺压电陶瓷的制作工艺成型成型(2)压力压力 对不同瓷料、不同形状制品，压强由实验确对不同瓷料、不同形状制品，压强由实验确定。一般在定。一般在1-3T/cm3范围，以保证坯体密度均匀范围，以保证坯体密度均匀地达到地达到5.4-5.7g/cm3。(3)加压速度和保压时间加压速度和保压时间

52、对于较大体积坯体，加压必须缓慢，达到最对于较大体积坯体，加压必须缓慢，达到最大压力后，需保压一定时间，以利于排除坯体大压力后，需保压一定时间，以利于排除坯体中的空气，防止分层和裂纹。对薄小坯体，加中的空气，防止分层和裂纹。对薄小坯体，加压可较快，保压几秒钟即可。压可较快，保压几秒钟即可。 压电陶瓷的制作工艺压电陶瓷的制作工艺成型（粘合剂的使用）成型（粘合剂的使用）(1) 粘合剂对成型作用粘合剂对成型作用 赋予赋予瓷料可塑性瓷料可塑性，便于成型，且坯体具有较高、，便于成型，且坯体具有较高、均匀致密度；均匀致密度； 增加增加瓷料的粘结性瓷料的粘结性，使成型坯体具，使成型坯体具有一定的机械强度；有一

53、定的机械强度；减少瓷料与模壁间的摩擦力，减少瓷料与模壁间的摩擦力，便于脱模，减小分层裂纹现象。便于脱模，减小分层裂纹现象。(2) 压电陶瓷制品对粘合剂要求压电陶瓷制品对粘合剂要求 有足够有足够粘结性粘结性；挥发温度范围宽挥发温度范围宽，能缓慢分散，能缓慢分散挥发，快速集中挥发引起开裂；挥发，快速集中挥发引起开裂；挥发温度不能太低挥发温度不能太低，以免和水分同时挥发，造成坯体变形或开裂，太高，以免和水分同时挥发，造成坯体变形或开裂，太高，引起铅挥发；引起铅挥发；无残留杂质无残留杂质影响制品的性能。影响制品的性能。 压电陶瓷的制作工艺压电陶瓷的制作工艺(3)粘合剂的配制粘合剂的配制成型（粘合剂的使

54、用）成型（粘合剂的使用） 粘合剂品种很多，压电瓷料干压成型使用聚乙烯粘合剂品种很多，压电瓷料干压成型使用聚乙烯醇（醇（PVA）较多，无毒，能满足上述要求。）较多，无毒，能满足上述要求。 以下介绍其典型配方、特点及制法。以下介绍其典型配方、特点及制法。 5%浓度浓度PVA水溶液水溶液，配方简单，成本低，存放，配方简单，成本低，存放期短（期短（10天内）。天内）。 PVA：甘油：酒精：蒸馏水：甘油：酒精：蒸馏水=15：7：3：7（wt%）。粘度较大，存放期较长，不易变质，）。粘度较大，存放期较长，不易变质，但较低温度下过稠，不宜采用。但较低温度下过稠，不宜采用。 配制配制：混合，：混合，90温度下

55、搅拌溶化，过滤、温度下搅拌溶化，过滤、 密封存放备用。密封存放备用。 压电陶瓷的制作工艺压电陶瓷的制作工艺PVA的粘合作用的粘合作用成型（粘合剂的使用）成型（粘合剂的使用）成型（造粒）成型（造粒） 压电陶瓷的制作工艺压电陶瓷的制作工艺 造粒造粒是将瓷料混合粘结剂后，制成流动性好的是将瓷料混合粘结剂后，制成流动性好的较粗颗粒（约较粗颗粒（约20目目/吋）。把这种颗粒称为团粒，吋）。把这种颗粒称为团粒，以示区别。以示区别。 (1)造粒的作用造粒的作用 因细磨后的瓷粉细且轻、比表面积大、占据体因细磨后的瓷粉细且轻、比表面积大、占据体积大，从而流动性差、装填密度和压实密度不高。积大，从而流动性差、装填

56、密度和压实密度不高。所以造粒的作用就在于所以造粒的作用就在于均匀瓷粉中的粘合剂、增加均匀瓷粉中的粘合剂、增加其颗粒度、比重和流动性其颗粒度、比重和流动性，使成型坯体致密度提高。，使成型坯体致密度提高。(2)常用造粒方法及特点常用造粒方法及特点 压电陶瓷的制作工艺压电陶瓷的制作工艺成型（造粒）成型（造粒） 普通手工造粒法普通手工造粒法 将瓷料加适量（如将瓷料加适量（如4-5wt%）的）的5%浓度浓度 PVA水溶液粘合剂，在研钵内手工细混匀然后水溶液粘合剂，在研钵内手工细混匀然后过筛即可。过筛即可。 该法该法操作简单，但劳动强度大，混合难以均操作简单，但劳动强度大，混合难以均匀，团粒质量不高匀，团

57、粒质量不高，效率低，仅适合实验室和，效率低，仅适合实验室和小量生产。小量生产。 加压造粒法加压造粒法 将瓷料加入将瓷料加入4-5wt%的的5%浓度浓度PVA水溶液水溶液粘合剂，粘合剂，在混料机中搅研均匀，在混料机中搅研均匀，过过20目目/吋筛吋筛。然后在液压机。然后在液压机上用压模以上用压模以180-250kg/cm2压力压力保压保压1分钟压成圆饼。分钟压成圆饼。用破碎机破碎圆饼，直至用破碎机破碎圆饼，直至全部通过全部通过20目目/吋筛吋筛即可备即可备用。用。 压电陶瓷的制作工艺压电陶瓷的制作工艺成型（造粒）成型（造粒） 该法该法团粒密度大，坯体机械强度高团粒密度大，坯体机械强度高，能满足各种

58、，能满足各种大型和异型制品成型要求。但产量较小，效率不高，大型和异型制品成型要求。但产量较小，效率不高，工艺操作要求严格，适合于实验室实验和中批量生工艺操作要求严格，适合于实验室实验和中批量生产。产。 喷雾干燥造粒法喷雾干燥造粒法 将混合粘合剂的瓷料先做成料浆，再经喷将混合粘合剂的瓷料先做成料浆，再经喷雾干燥机进行雾化干燥造粒，并收集备用。团雾干燥机进行雾化干燥造粒，并收集备用。团粒粗细可由雾化相关条件控制。粒粗细可由雾化相关条件控制。 压电陶瓷的制作工艺压电陶瓷的制作工艺成型（造粒）成型（造粒） 该法该法颗粒为球状、流动性好、质量好、且颗粒为球状、流动性好、质量好、且产量大、连续生产、效率高

59、产量大、连续生产、效率高，劳动强度小和条，劳动强度小和条件得到改善。宜于大批量生产，但设备成本高。件得到改善。宜于大批量生产，但设备成本高。 压电陶瓷的制作工艺压电陶瓷的制作工艺成型（模具设计）成型（模具设计） 模具的设计模具的设计以制品的形状、尺寸、压力、粉以制品的形状、尺寸、压力、粉料压缩化、烧结收缩率、粗糙度等为依据来设料压缩化、烧结收缩率、粗糙度等为依据来设计模具。计模具。具体要求具体要求: 配合精度（如三级精度配合）；配合精度（如三级精度配合）； 光洁度（如工作面光洁度（如工作面10）；）； 硬度（如硬度（如HRC 57-62）；）； 脱模锥度（一般不小于脱模锥度（一般不小于1%）；

60、）； 形状、尺寸；形状、尺寸； 用材（工具钢，如用材（工具钢，如Cr12钢）等。钢）等。 压电陶瓷的制作工艺压电陶瓷的制作工艺成型（影响成型质量的因素）成型（影响成型质量的因素）（1）粘合剂）粘合剂 以以PVA粘合剂为例，主要影响因素有：粘合剂为例，主要影响因素有：聚合度聚合度n。n过大，链节长，粘结力和弹性大，过大，链节长，粘结力和弹性大，不利于造粒和成型；不利于造粒和成型；n过小，链节轻，弹性和过小，链节轻，弹性和粘结力小，起不到粘合剂作用。粘结力小，起不到粘合剂作用。n 一般选一般选175050较合适。较合适。 用量用量：过少，不利于成型。过多，排塑后，：过少，不利于成型。过多，排塑后，

61、气孔多，影响坯体密度。气孔多，影响坯体密度。 压电陶瓷的制作工艺压电陶瓷的制作工艺(2)团粒性质团粒性质 主要包括主要包括粒形、粒度、粒度分布粒形、粒度、粒度分布、密度等对流、密度等对流动性、装填密度和压实密度的影响。动性、装填密度和压实密度的影响。成型（影响成型质量的因素）成型（影响成型质量的因素）(3)加压制度加压制度 包括包括加压方式加压方式、成型压力成型压力、加压速度加压速度和和保压时保压时间间对成型质量的影响。对成型质量的影响。(4)模具模具 模具阴阳件的模具阴阳件的配合精度配合精度、光洁度光洁度、脱模锥度脱模锥度等等对成型坯体有重要的影响。对成型坯体有重要的影响。排塑（必要性排塑（

62、必要性) ) 压电陶瓷的制作工艺压电陶瓷的制作工艺 成型坯体中粘合剂是一种高分子化合物，成型坯体中粘合剂是一种高分子化合物，含碳多，含碳多，碳在氧气不足时燃烧产生还原性很碳在氧气不足时燃烧产生还原性很强的一氧化碳。强的一氧化碳。一氧化碳夺取一氧化碳夺取PZT中的氧而形中的氧而形成二氧化碳，成二氧化碳，使金属氧化物还原为导电的金使金属氧化物还原为导电的金属（如属（如Pb）和半导体性质的低价氧化物（如）和半导体性质的低价氧化物（如Ti2O3），影响陶瓷的颜色、成瓷性、烧银、，影响陶瓷的颜色、成瓷性、烧银、极化和最终性能。所以，在烧结前，必须对极化和最终性能。所以，在烧结前，必须对坯体进行排塑。坯体

63、进行排塑。排塑（基本要求排塑（基本要求 ) ) 压电陶瓷的制作工艺压电陶瓷的制作工艺(1)根据根据PVA粘合剂的挥发性，严格粘合剂的挥发性，严格控制排塑的升控制排塑的升温速度和保温时间。温速度和保温时间。 在排除在排除PVA粘合剂过程中，粘合剂过程中，100左右（随左右（随坯体厚度增加而增加）是坯体厚度增加而增加）是水分的挥发水分的挥发，200-500是是PVA的挥发温区。这样，的挥发温区。这样，100左右要保左右要保温一段时间，温一段时间，500以前必须缓慢升温。以前必须缓慢升温。 压电陶瓷的制作工艺压电陶瓷的制作工艺排塑（基本要求排塑（基本要求 ) )(2)根据根据PVA粘合粘合剂剂的分解

64、特性，的分解特性，控制排塑气氛控制排塑气氛 PVA粘合粘合剂剂加加热热分解及氧不足情况下分解及氧不足情况下对对PZT作作用的反用的反应应式有：式有：这样这样，PZT坯体坯体发发生了不同程度的生了不同程度的还还原反原反应应。 PZT坯体发生了不同程度的还原反应，将坯体发生了不同程度的还原反应，将导致的结果有：导致的结果有： 压电陶瓷的制作工艺压电陶瓷的制作工艺排塑（基本要求排塑（基本要求 ) ) 烧结时烧结时不易结晶成瓷不易结晶成瓷，颜色不正常颜色不正常； 烧银时发生烧银时发生渗银发黑渗银发黑，极化时则难以，极化时则难以加上电压；加上电压； 陶瓷陶瓷电性能恶化电性能恶化等。等。 因此，必须确保使

65、排塑炉内有充足的氧因此，必须确保使排塑炉内有充足的氧气氛。气氛。 压电陶瓷的制作工艺压电陶瓷的制作工艺排塑（排塑（排塑工艺排塑工艺) ) 将坯体装入透气性好的耐火槽板中，推入氧氛好将坯体装入透气性好的耐火槽板中，推入氧氛好的排塑炉内，按一定加热制度排塑。典型例如下：的排塑炉内，按一定加热制度排塑。典型例如下： 升温速度升温速度：0450，50/h；450750，150/h 最高温度最高温度：750（600前，微开炉门，前，微开炉门，600关炉门）关炉门） 保温时间保温时间：1h 冷却方式冷却方式：关电源随炉冷却。：关电源随炉冷却。烧结（烧结（理论要点与烧结过程）理论要点与烧结过程） 压电陶瓷的

66、制作工艺压电陶瓷的制作工艺 烧结烧结是利用热能使坯体转变为致密陶瓷的工艺过程。是利用热能使坯体转变为致密陶瓷的工艺过程。为了理解烧结原理，先介绍理论要点和烧结过程。为了理解烧结原理，先介绍理论要点和烧结过程。 烧结理论要点烧结理论要点 1)烧结是一个过程，具有阶段性。烧结是一个过程，具有阶段性。 2)烧结过程有其发生发展原因（热力学驱动力）。烧结过程有其发生发展原因（热力学驱动力）。外因：外部给予的热能；内因：瓷料总界面能的减少。外因：外部给予的热能；内因：瓷料总界面能的减少。 3)烧结中存在物质传递。传质模型和机理主要有：烧结中存在物质传递。传质模型和机理主要有：流动；流动；扩散；扩散；蒸发

67、与凝聚；蒸发与凝聚；溶解与沉淀等。溶解与沉淀等。 4)具体烧结过程的快慢决定于致密化速率（生长具体烧结过程的快慢决定于致密化速率（生长动力学方程）。动力学方程）。 压电陶瓷的制作工艺压电陶瓷的制作工艺烧结（烧结（固相烧结过程与阶段）固相烧结过程与阶段）不同不同烧结阶烧结阶段晶粒排列段晶粒排列过过程程 压电陶瓷的制作工艺压电陶瓷的制作工艺烧结（烧结（固相烧结过程与阶段）固相烧结过程与阶段） PZT系压系压电陶瓷烧结电陶瓷烧结阶段对致密阶段对致密性的影响。性的影响。 烧结烧结中中双晶粒双晶粒结结合合示意示意图图 压电陶瓷的制作工艺压电陶瓷的制作工艺烧结（烧结（固相烧结过程与阶段）固相烧结过程与阶段

68、）(1)初期阶段（初期阶段（颗粒结合阶段，颗粒结合阶段，1050以前以前） 压电陶瓷的制作工艺压电陶瓷的制作工艺烧结（烧结（固相烧结过程与阶段）固相烧结过程与阶段）烧结中烧结中多晶粒结合多晶粒结合示意图示意图 压电陶瓷的制作工艺压电陶瓷的制作工艺烧结（烧结（固相烧结过程与阶段）固相烧结过程与阶段） 相互接触的颗粒通过扩散使相互接触的颗粒通过扩散使物质向颈部迁移物质向颈部迁移，导致导致颗粒中心接近颗粒中心接近，大颗粒长大大颗粒长大，小颗粒减小小颗粒减小或消失，气孔形状改变并发生坯体收缩或消失，气孔形状改变并发生坯体收缩，如图，如图所示。继续扩散，相邻的晶界相交并形成网络，所示。继续扩散，相邻的晶

69、界相交并形成网络，为连续贯通状态。为连续贯通状态。 该阶段晶粒平均粒径小、结构松疏、线收缩小。该阶段晶粒平均粒径小、结构松疏、线收缩小。 压电陶瓷的制作工艺压电陶瓷的制作工艺烧结（烧结（固相烧结过程与阶段）固相烧结过程与阶段） 烧结烧结中中晶界晶界移移动动示示意意图图（2）中期阶段（）中期阶段（晶粒生长阶段，晶粒生长阶段，10501200） 压电陶瓷的制作工艺压电陶瓷的制作工艺烧结（烧结（固相烧结过程与阶段）固相烧结过程与阶段）烧结烧结中期多晶体界面移动中期多晶体界面移动情况情况 晶粒成长是坯体中晶界移动的结果，如图晶粒成长是坯体中晶界移动的结果，如图所示。所示。弯曲的晶界总是向曲率中心移动弯

70、曲的晶界总是向曲率中心移动，曲，曲率半径愈小，移动愈快。率半径愈小，移动愈快。边数大于六边的晶边数大于六边的晶粒易长大，小于六边的晶粒则易被吞并，粒易长大，小于六边的晶粒则易被吞并，晶晶界交角为界交角为120的六边形（晶粒截面）的晶粒的六边形（晶粒截面）的晶粒最为稳定。最为稳定。该阶段线收缩和体密度显著增加，该阶段线收缩和体密度显著增加，显气孔率大幅度降低，显气孔率大幅度降低，气孔由连续贯通变为气孔由连续贯通变为孤立状态孤立状态。在第二相包裹物（晶界中杂质、。在第二相包裹物（晶界中杂质、气孔等）的阻碍下，晶粒逐渐减缓。气孔等）的阻碍下，晶粒逐渐减缓。 压电陶瓷的制作工艺压电陶瓷的制作工艺烧结（

71、烧结（固相烧结过程与阶段）固相烧结过程与阶段）（3）末期阶段（晶粒校正阶段，）末期阶段（晶粒校正阶段，1200最佳最佳烧结温度）烧结温度） 压电陶瓷的制作工艺压电陶瓷的制作工艺烧结（烧结（固相烧结过程与阶段）固相烧结过程与阶段）晶粒缓慢校正性长大晶粒缓慢校正性长大，直至达到较理想的烧结，直至达到较理想的烧结程度。同时，大部分气孔从晶界排出体外，余程度。同时，大部分气孔从晶界排出体外，余下气孔体积缩小，最后变成彼此孤立、互不连下气孔体积缩小，最后变成彼此孤立、互不连通的通的闭口气孔闭口气孔。这种气孔一般处于多个晶粒的。这种气孔一般处于多个晶粒的交界处，其内部压力高，进一步排除困难。交界处，其内部

72、压力高，进一步排除困难。(4)过烧和二次晶粒长大过烧和二次晶粒长大 压电陶瓷的制作工艺压电陶瓷的制作工艺烧结（烧结（固相烧结过程与阶段）固相烧结过程与阶段）在达到最佳烧结温度后，继续升高温度，则晶界在达到最佳烧结温度后，继续升高温度，则晶界运动加剧，二次粒长大量出现，闭口气孔膨胀、裂运动加剧，二次粒长大量出现，闭口气孔膨胀、裂开，密度下降的现象，称为开，密度下降的现象，称为过烧过烧。过烧瓷件性能低。过烧瓷件性能低下，要加以控制。下，要加以控制。 当晶粒生长因包裹物阻碍而停止时，烧结体内当晶粒生长因包裹物阻碍而停止时，烧结体内可能有少数晶粒特别大，边数多，晶界曲率也较大。可能有少数晶粒特别大，边

73、数多，晶界曲率也较大。在一定的条件下，它们能越过包裹物而继续反常长在一定的条件下，它们能越过包裹物而继续反常长大。这种现象称为大。这种现象称为二次晶粒长大二次晶粒长大。造成二次晶粒长大的原因造成二次晶粒长大的原因： 瓷料本身不均匀，有瓷料本身不均匀，有少数大晶粒存在少数大晶粒存在；成型压力不均匀成型压力不均匀，造成局部晶粒易长大；，造成局部晶粒易长大；烧烧结温度过高结温度过高，加剧大晶粒生长；，加剧大晶粒生长；局部有局部有不均不均匀的液相存在匀的液相存在，促进了粒长等。另外，当起始，促进了粒长等。另外，当起始瓷料粒径大时，相应的晶粒生长就小；当瓷料粒径大时，相应的晶粒生长就小；当瓷料瓷料粒度极

74、细时，活性大，烧结温区窄粒度极细时，活性大，烧结温区窄，常易在小，常易在小晶粒基相中出现大的晶粒。晶粒基相中出现大的晶粒。 压电陶瓷的制作工艺压电陶瓷的制作工艺烧结（烧结（固相烧结过程与阶段）固相烧结过程与阶段） 压电陶瓷的制作工艺压电陶瓷的制作工艺烧结（烧结（烧结条件）烧结条件）制定合理的烧结条件的一般原则是制定合理的烧结条件的一般原则是： 以最经济的方式（看效率、成本等经济指标）以最经济的方式（看效率、成本等经济指标），烧出高质量的瓷料（看性能等技术指标）。，烧出高质量的瓷料（看性能等技术指标）。制定合理条件的依据是制定合理条件的依据是： 材料的相图组成材料的相图组成相相温度关系）；温度关

75、系）；综综合热分析（失重、胀缩、热差）数据；合热分析（失重、胀缩、热差）数据；瓷料瓷料烧结线收缩或体积密度；烧结线收缩或体积密度；显微组织结构分析；显微组织结构分析；制品电性能数据。制品电性能数据。烧结条件的确定烧结条件的确定 重点关注：一是烧结条件与瓷料组织结构、性能重点关注：一是烧结条件与瓷料组织结构、性能关系；二是烧结条件与坯体形状尺寸关系。关系；二是烧结条件与坯体形状尺寸关系。(1)烧结温度烧结温度 取决配方化学组成、瓷料粒度、坯体取决配方化学组成、瓷料粒度、坯体形状尺寸、成型方式、升温速度和保温时间等。一形状尺寸、成型方式、升温速度和保温时间等。一般经试烧，测定不同烧结温度元件收缩、

76、密度、组般经试烧，测定不同烧结温度元件收缩、密度、组织结构和电性能，比较确定。烧结温度范围较宽织结构和电性能，比较确定。烧结温度范围较宽（30）的瓷料，应在上限温度烧结，保温时间不）的瓷料，应在上限温度烧结，保温时间不宜长；范围较窄（宜长；范围较窄（10）的瓷料，在下限温度烧结；）的瓷料，在下限温度烧结；适当延长保温时间。适当延长保温时间。 压电陶瓷的制作工艺压电陶瓷的制作工艺烧结（烧结（烧结条件）烧结条件）(2)升温速度和保温时间升温速度和保温时间 升温速度较快（升温速度较快（300/h左右）时，烧温宜偏左右）时，烧温宜偏上限，保温时间不宜长；升温速度较慢上限，保温时间不宜长；升温速度较慢（

77、200/h左右）时，烧温宜偏下限，保温时间左右）时，烧温宜偏下限，保温时间适当延长。适当延长。 PbO高温易挥发，形状简单小尺寸坯件，较高温易挥发，形状简单小尺寸坯件，较快速度升温和短期保温（快速度升温和短期保温（1h）。大件且外形复）。大件且外形复杂坯件，应变慢升温速度和延长保温时间，且力杂坯件，应变慢升温速度和延长保温时间，且力求密封烧结，以使制品烧结均匀，避免失铅。求密封烧结，以使制品烧结均匀，避免失铅。 压电陶瓷的制作工艺压电陶瓷的制作工艺烧结（烧结（烧结条件）烧结条件） (3)降温速度和冷却方式降温速度和冷却方式 主要取决于坯件形状尺寸和烧结炉的构造。主要取决于坯件形状尺寸和烧结炉的

78、构造。 中小型坯件可以采用停电随炉冷却方式。形状简中小型坯件可以采用停电随炉冷却方式。形状简单小型坯件，为使晶粒细化，避免还原发黑，可单小型坯件，为使晶粒细化，避免还原发黑，可微开炉门，空气冷却；也可采取抽风快冷方式，微开炉门，空气冷却；也可采取抽风快冷方式，到到850再进行随炉冷却。形状复杂的大型坯件，再进行随炉冷却。形状复杂的大型坯件，一般控制在一般控制在100/h的降温速度冷却，以免变形的降温速度冷却，以免变形开裂。开裂。 压电陶瓷的制作工艺压电陶瓷的制作工艺烧结（烧结（烧结条件）烧结条件） 压电陶瓷的制作工艺压电陶瓷的制作工艺烧结（烧结工艺步骤）烧结（烧结工艺步骤） 烧结烧结前准前准备

79、备工作工作 1）检查检查： 烧结烧结炉炉发热发热体好坏、体好坏、热电热电偶的位置、偶的位置、电电流流电压电压的平衡、保温性能等炉况；的平衡、保温性能等炉况； 烧结烧结耐火配件，如坩耐火配件，如坩埚埚与盖完好与配合情况、与盖完好与配合情况、吸吸铅铅程度，匣缽好坏程度等。程度，匣缽好坏程度等。 2) 装装埚埚、装缽和、装缽和进进炉，如炉，如图图下所示。下所示。进进炉炉应应平平稳稳轻轻轻轻推推进进，以免堆叠的坯体，以免堆叠的坯体错动错动。装缽示意图装缽示意图 压电陶瓷的制作工艺压电陶瓷的制作工艺烧结（烧结工艺步骤）烧结（烧结工艺步骤） (2)设置烧结程序设置烧结程序按工艺规定的烧结条件在控温仪上设置

80、烧结按工艺规定的烧结条件在控温仪上设置烧结程序，通电加热烧结。程序，通电加热烧结。烧结（烧结工艺步骤）烧结（烧结工艺步骤） 压电陶瓷的制作工艺压电陶瓷的制作工艺(3)定期观察、调整、记录烧结炉运行状况，定期观察、调整、记录烧结炉运行状况，并在接近最佳烧结温度和保温时间，反复检查、并在接近最佳烧结温度和保温时间，反复检查、测定、校正温度，防止温度的偏离。测定、校正温度，防止温度的偏离。(4)保温结束以后，停电，自然冷却或按其他保温结束以后，停电，自然冷却或按其他降温冷却方式冷却。降温冷却方式冷却。200以下可出炉。以下可出炉。 烧结质量的判断，除了测定致密度、电性能烧结质量的判断，除了测定致密度

81、、电性能和显微结构外，生产采用和显微结构外，生产采用直观判断法直观判断法：室温下室温下颜色：均匀一致、有光泽；颜色：均匀一致、有光泽；粘结现象粘结现象:瓷件之瓷件之间稍有粘结，但易分开；间稍有粘结，但易分开；收缩率：约收缩率：约12%左右；左右；墨水扩散：不渗墨水，无扩散现象；墨水扩散：不渗墨水，无扩散现象；声响：声响：敲击时有清脆的金属声；敲击时有清脆的金属声；机械强度机械强度:强度高，强度高，不易被折断；不易被折断；断面状况：均匀、致密、无气孔、断面状况：均匀、致密、无气孔、断口呈贝壳状，有光泽；断口呈贝壳状，有光泽；在同一炉、同一埚内在同一炉、同一埚内的瓷件，上述特征基本一致，无明显差别

82、。的瓷件，上述特征基本一致，无明显差别。 压电陶瓷的制作工艺压电陶瓷的制作工艺烧结烧结( (质量的判断质量的判断) ) 压电陶瓷的制作工艺压电陶瓷的制作工艺烧结（影响烧结的主要因素）烧结（影响烧结的主要因素） (1)原料的影响原料的影响 不同规格、级别的原料含不同种类和数量的不同规格、级别的原料含不同种类和数量的杂质，不同产地、批次原料的活性也不相同，烧杂质，不同产地、批次原料的活性也不相同，烧结条件也会产生相应的变化。结条件也会产生相应的变化。(2)锆钛比锆钛比(Zr/Ti)影响影响 随随Zr/Ti的增加，烧结温度随之增高，甚至难的增加，烧结温度随之增高，甚至难以烧结。以烧结。(3)添加物的

83、影响添加物的影响 压电陶瓷的制作工艺压电陶瓷的制作工艺烧结（影响烧结的主要因素）烧结（影响烧结的主要因素） 产生产生A位缺陷的位缺陷的“软性软性”添加物（如添加物（如La3+,Nb5+等）。利于离子扩散，烧结温度范围扩等）。利于离子扩散，烧结温度范围扩大，提高烧结速度。大，提高烧结速度。 产生产生O空位的空位的“硬性硬性”添加物（如添加物（如Na+,Fe3+,Sc3+等）。使晶格收缩，不利于离子扩等）。使晶格收缩，不利于离子扩散，较难烧结。散，较难烧结。 小半径等价取代小半径等价取代A位离子的取代物（如位离子的取代物（如Sr2+等）。使等）。使A位松动，晶格畸变而有利于离子扩散，位松动，晶格畸

84、变而有利于离子扩散，易于烧结。易于烧结。 压电陶瓷的制作工艺压电陶瓷的制作工艺烧结（影响烧结的主要因素）烧结（影响烧结的主要因素） 生成液相的添加物（如生成液相的添加物（如 SiO2,Bi2O3等）。等）。 在坯体中长生液相，离子易于扩散，可降低烧在坯体中长生液相，离子易于扩散，可降低烧结温度。结温度。 能限制晶粒长大的晶界分凝添加物（如能限制晶粒长大的晶界分凝添加物（如Fe3+,Al3+,Cr3+,Ni3+等）。该类添加物一部分固等）。该类添加物一部分固溶于晶格起改性作用；一部分凝聚于晶界，限溶于晶格起改性作用；一部分凝聚于晶界，限制晶粒长大，导致高密度的微晶结构，提高瓷制晶粒长大，导致高密

85、度的微晶结构，提高瓷件机电性能，特别提高机械强度。件机电性能，特别提高机械强度。(4)预烧温度的影响预烧温度的影响 压电陶瓷的制作工艺压电陶瓷的制作工艺烧结（影响烧结的主要因素）烧结（影响烧结的主要因素） 预烧温度低，粒度细但差别小，坯体中堆积不预烧温度低，粒度细但差别小，坯体中堆积不紧密，接触点不多，不利扩散。预烧温度高，粒紧密，接触点不多，不利扩散。预烧温度高，粒度粗，活性差，烧结动力小。另外，不适合的预度粗，活性差，烧结动力小。另外，不适合的预烧温度将增加瓷料的游离氧化物，使烧温度将增加瓷料的游离氧化物，使PbO挥发量挥发量大，导致烧结温度增高。只有合适的预烧温度，大，导致烧结温度增高。

86、只有合适的预烧温度，瓷料才兼具活性和较宽的粒度分布，堆积接触点瓷料才兼具活性和较宽的粒度分布，堆积接触点多，烧结后致密度高。所以，正确的预烧温度的多，烧结后致密度高。所以，正确的预烧温度的选定，是获得良好烧结的一个关键因素。选定，是获得良好烧结的一个关键因素。 压电陶瓷的制作工艺压电陶瓷的制作工艺烧结（影响烧结的主要因素）烧结（影响烧结的主要因素） (5)瓷料性质和成型密度的影响瓷料性质和成型密度的影响 细磨后的瓷料粒度细，活性大，烧结动力大；细磨后的瓷料粒度细，活性大，烧结动力大；粒度分布较宽，成型坯件中紧密堆积、气孔少，粒度分布较宽，成型坯件中紧密堆积、气孔少，加之坯件各部位尽可能均匀致密

87、化，都利于烧结加之坯件各部位尽可能均匀致密化，都利于烧结中离子扩散与瓷体致密度的提高与均匀一致。中离子扩散与瓷体致密度的提高与均匀一致。 压电陶瓷的制作工艺压电陶瓷的制作工艺烧结（影响烧结的主要因素）烧结（影响烧结的主要因素） (6)烧结条件的影响烧结条件的影响 固相烧结完善程度主要取决于烧结温度和保温时固相烧结完善程度主要取决于烧结温度和保温时间。间。烧结温度烧结温度提高，会使离子扩散能力增强，烧结提高，会使离子扩散能力增强，烧结过程加速，但温度过高，会出现瓷件粘结变形、二过程加速，但温度过高，会出现瓷件粘结变形、二次晶粒长大、密度下降、失铅和性能降低。温度过次晶粒长大、密度下降、失铅和性能

88、降低。温度过低、又会出现气孔率高，密度低，电性能差等现象。低、又会出现气孔率高，密度低，电性能差等现象。保温时间保温时间是保证制品各部分温度均匀一致和结晶成是保证制品各部分温度均匀一致和结晶成瓷致密化的重要条件。保温时间长短对晶粒大小和瓷致密化的重要条件。保温时间长短对晶粒大小和均匀程度都有一定的作用。均匀程度都有一定的作用。 压电陶瓷的制作工艺压电陶瓷的制作工艺烧结（影响烧结的主要因素）烧结（影响烧结的主要因素） (7) 烧结气氛的影响烧结气氛的影响 烧结气氛是指在烧结过程中烧结气氛是指在烧结过程中炉内炉内、坩埚内坩埚内的气的气氛。一般气氛分氛。一般气氛分氧化氧化、还原还原和和中性中性三种。

89、其作用三种。其作用在于形成保护烧结环境，以控制固相反应和形成在于形成保护烧结环境，以控制固相反应和形成所需要的组织结构。一般来说，所需要的组织结构。一般来说，PZT系陶瓷元件系陶瓷元件应在氧化气氛中进行烧结应在氧化气氛中进行烧结，因为还原气氛将使金，因为还原气氛将使金属氧化物金属化、变价离子还原，从而瓷件绝缘属氧化物金属化、变价离子还原，从而瓷件绝缘电阻降低，电阻降低，tg增大，性能劣化等。增大，性能劣化等。 压电陶瓷的制作工艺压电陶瓷的制作工艺烧结（影响烧结的主要因素）烧结（影响烧结的主要因素） 烧结在烧结在空气中空气中进行，即可形成氧化气氛。以进行，即可形成氧化气氛。以硅硅碳棒为发热体的高

90、温炉碳棒为发热体的高温炉，一般为弱氧化气氛。这，一般为弱氧化气氛。这二者结合的条件下烧结，基本上可保证瓷件不会二者结合的条件下烧结，基本上可保证瓷件不会还原。还原。 配方添加了配方添加了La2O3,Bi2O3,Nb2O5,Ta2O3,Sb2O3 等等氧化物，烧结时应注意氧不足。烧后经中温氧化氧化物，烧结时应注意氧不足。烧后经中温氧化处理后，压电性能会有改善。处理后，压电性能会有改善。 经排塑坯件，在经排塑坯件，在湿度大空气中存放过久湿度大空气中存放过久，会吸，会吸附附碳酸根、硝酸根、氯离子或氢氧根离子等碳酸根、硝酸根、氯离子或氢氧根离子等，不，不利于瓷料颗粒接触，阻碍烧结。利于瓷料颗粒接触，阻

91、碍烧结。 压电陶瓷的制作工艺压电陶瓷的制作工艺烧结（影响烧结的主要因素）烧结（影响烧结的主要因素） (8)烧结中烧结中PbO挥发的影响挥发的影响 PZT系陶瓷中系陶瓷中PbO的比例大，且的比例大，且PbO的熔点的熔点低，烧结中易挥发，高低，烧结中易挥发，高Zr/Ti配方瓷料，配方瓷料，PbO蒸气蒸气压力加大，挥发更严重。压力加大，挥发更严重。PbO挥发会使化学计量挥发会使化学计量比偏离，加大烧结成瓷难度。比偏离，加大烧结成瓷难度。 防止防止PbO挥发，常采用下列措施：挥发，常采用下列措施：保证装保证装埚的密封；埚的密封；埋熟料粉；埋熟料粉；加气氛片；加气氛片；盖加多盖加多层坩埚；层坩埚；配方中

92、添加配方中添加0.51.5wt%过量过量PbO。 压电陶瓷的制作工艺压电陶瓷的制作工艺极化（极化（目的和基本条件）目的和基本条件） 目的目的是为了使铁电陶瓷的铁电畴在外直场作用是为了使铁电陶瓷的铁电畴在外直场作用下，沿电场方向定向排列，显示极性与压电效应。下，沿电场方向定向排列，显示极性与压电效应。 极化的极化的基本要求如下基本要求如下： 1)极化条件由实验优化确定，以利显示元件最佳极化条件由实验优化确定，以利显示元件最佳的压电性能。的压电性能。 2)极化必须按照规定操作，注意人身和仪器安全。极化必须按照规定操作，注意人身和仪器安全。 3)极化后的正品元件不应有任何击伤、击痕、击极化后的正品元

93、件不应有任何击伤、击痕、击穿现象；在电极表面应有极性标记。穿现象；在电极表面应有极性标记。 4)极化后的元件表面不应残留油污、油迹。极化后的元件表面不应残留油污、油迹。 压电陶瓷的制作工艺压电陶瓷的制作工艺极化（极化（条件）条件） (1)极化电场极化电场 只有在极化电场只有在极化电场作用作用下，电畴才能沿电场方下，电畴才能沿电场方向取向排列，所以它是极化条件中的主要因素。向取向排列，所以它是极化条件中的主要因素。 极化电场大小取决于压电陶瓷的矫顽场极化电场大小取决于压电陶瓷的矫顽场EC。一般为一般为EC的的2-3倍倍。对四方相。对四方相PZT系，系，EC随随Zr/Ti减小而增大。三方相，减小而

94、增大。三方相，EC随随Zr/Ti变化不明显。变化不明显。取取代物代物若使晶轴比若使晶轴比c/a减小，减小，90畴转动产生内应力小，畴转动产生内应力小，EC降低。降低。软性添加物软性添加物使使EC降低，降低，硬性添加物硬性添加物使使EC提高。实用提高。实用PZT系系EC在在0.6-1.6Kv/mm范围内。范围内。EC还随还随温度温度的升高而降低。的升高而降低。 压电陶瓷的制作工艺压电陶瓷的制作工艺极化（极化（条件）条件） 极化电场还受到击穿强度极化电场还受到击穿强度Eb限制。限制。Eb因制品存因制品存在气孔、裂纹及成份不均匀而急剧下降。因此，在气孔、裂纹及成份不均匀而急剧下降。因此，前期工序必须

95、保证制品致密度和均匀性。前期工序必须保证制品致密度和均匀性。Eb大小大小也与陶瓷样品极化厚度有关，其关系大致符合公也与陶瓷样品极化厚度有关，其关系大致符合公式式 Eb =27.2t0.39式中式中Eb为击穿电场（为击穿电场（kV/cm）；）；t为厚度（为厚度（cm）。）。因此，因此，较厚制品，极化电场应降低，且通过调高较厚制品，极化电场应降低，且通过调高极化温度，延长极化时间达到好的极化效果。极化温度，延长极化时间达到好的极化效果。 压电陶瓷的制作工艺压电陶瓷的制作工艺极化（极化（条件）条件） (2)(2)极化温度极化温度 极化电场和极化时间一定的条件下，极化电场和极化时间一定的条件下，极化温

96、度极化温度高，电畴取向排列较易高，电畴取向排列较易。其主要。其主要原因原因：结晶各向结晶各向异性随温度升高而降低，电畴转向内应力变小，极异性随温度升高而降低，电畴转向内应力变小，极化较易。化较易。电滞回线随温度升高变窄，即矫顽场变电滞回线随温度升高变窄，即矫顽场变小。小。空间电荷效应随温度升高而减弱。有些杂质空间电荷效应随温度升高而减弱。有些杂质使制品中出现大量空间电荷，产生强空间电荷场，使制品中出现大量空间电荷，产生强空间电荷场，对极化电场有屏蔽作用，不利于极化。温度升高，对极化电场有屏蔽作用，不利于极化。温度升高，制品电导率增加，使空间电荷易于迁移，减少积聚，制品电导率增加，使空间电荷易于

97、迁移，减少积聚，空间电荷场的屏蔽作用就减小，利于极化。空间电荷场的屏蔽作用就减小，利于极化。 压电陶瓷的制作工艺压电陶瓷的制作工艺极化（极化（条件）条件） 极化温度与组成有关极化温度与组成有关。有的材料综合反映压。有的材料综合反映压电性能的机电耦合系数电性能的机电耦合系数kp值基本不受极化温度影值基本不受极化温度影响，可以在较低温度下极化，如含软性添加物的响，可以在较低温度下极化，如含软性添加物的PZT系。有的材料要求在较高温度下极化，才能系。有的材料要求在较高温度下极化，才能有较大有较大kp，如含硬性添加物的，如含硬性添加物的PZT系。系。 选择极化温度高些较好，因提高温度可缩短选择极化温度

98、高些较好，因提高温度可缩短极化时间，提高极化效率。但较高温度下常遇到极化时间，提高极化效率。但较高温度下常遇到制品电阻率太小，电压加不上制品电阻率太小，电压加不上。这。这与配方有关与配方有关，还还与致密度、电阻率低有关与致密度、电阻率低有关。对仅与配方有关的。对仅与配方有关的制品，只有降低极化电场和延长极化时间。制品，只有降低极化电场和延长极化时间。 压电陶瓷的制作工艺压电陶瓷的制作工艺极化（极化（条件）条件） (3)(3)极化时间极化时间 极化时间是指陶瓷制品从一个平衡态转变到极化时间是指陶瓷制品从一个平衡态转变到另一个平衡态所需要的保温保压时间。另一个平衡态所需要的保温保压时间。时间长，时

99、间长，电畴转向排列充分电畴转向排列充分，并有利于极化过程中应力的，并有利于极化过程中应力的弛豫。弛豫。 极化时间对不同材料是不同的极化时间对不同材料是不同的。对于同一种。对于同一种材料，材料，极化时间与极化电场、极化温度有关极化时间与极化电场、极化温度有关。电。电场强、温度高，则所需极化时间短；反之，所需场强、温度高，则所需极化时间短；反之，所需极化时间就长。极化时间就长。 压电陶瓷的制作工艺压电陶瓷的制作工艺极化（极化（条件）条件） 综合考虑，确定极化条件应以综合考虑，确定极化条件应以兼顾发挥压电兼顾发挥压电性能，提高成品率和节省时间为原则性能，提高成品率和节省时间为原则。不同成。不同成分材

100、料，应通过实验，优化出最佳极化条件。分材料，应通过实验，优化出最佳极化条件。实用中实用中通过压电性能来判定极化效果通过压电性能来判定极化效果。 目前目前PZT系系压电陶瓷研发与生产中，其极化压电陶瓷研发与生产中，其极化条件一般选为：条件一般选为： 极化电场极化电场1.5-5kV/mm 极化温度极化温度100-180 极化时间极化时间10-60min 压电陶瓷的制作工艺压电陶瓷的制作工艺极化（极化（极化方法）极化方法）(1) 油浴极化法油浴极化法 油浴极化法是以油浴极化法是以甲基硅油等为绝缘媒质甲基硅油等为绝缘媒质，在，在一定极化电场、温度和时间条件下对制品进行极一定极化电场、温度和时间条件下对

101、制品进行极化的方法。由于化的方法。由于甲基硅油使用温度范围较宽、绝甲基硅油使用温度范围较宽、绝缘强度高和防潮性好等优点，该方法适合于极化缘强度高和防潮性好等优点，该方法适合于极化电场高的压电陶瓷材料。电场高的压电陶瓷材料。 压电陶瓷的制作工艺压电陶瓷的制作工艺极化（极化（极化方法）极化方法）(2) 空气极化法空气极化法 空气极化法是以空气为绝缘媒质，以一定的空气极化法是以空气为绝缘媒质，以一定的极化条件对制品进行极化的方法。极化条件对制品进行极化的方法。该方法不用绝该方法不用绝缘油，操作简单，极化后制品不用清洗，成本低缘油，操作简单，极化后制品不用清洗，成本低。因空气击穿场强不高（因空气击穿场

102、强不高（3kV/mm）,该方法该方法适合较适合较低矫顽场强的材料低矫顽场强的材料。如。如EC为为0.6KV/mm的材料，的材料，选选3EC为为1.8KV/mm，远低于空气击穿强度。在提，远低于空气击穿强度。在提高极化温度和延长极化时间的条件下，该方法高极化温度和延长极化时间的条件下，该方法还还可适合于极化因尺寸较厚而击穿场强降低的制品可适合于极化因尺寸较厚而击穿场强降低的制品和高压极化有困难的薄片制品。和高压极化有困难的薄片制品。 压电陶瓷的制作工艺压电陶瓷的制作工艺极化（极化（极化方法）极化方法） (3)空气高温极化方法空气高温极化方法 空气高温极化方法是以空气为绝缘媒质，极化空气高温极化方

103、法是以空气为绝缘媒质，极化温度从居里温度以上（高于温度从居里温度以上（高于TC10-20）逐步降至）逐步降至100以下，相应的极化电场从较弱（约以下，相应的极化电场从较弱（约30V/mm）逐步增加到较强（约）逐步增加到较强（约300V/mm），对制），对制品进行极化的方法，又称品进行极化的方法，又称高温极化法高温极化法或或热极化法热极化法。 该方法的该方法的原理原理在于制品铁电相形成之前就加在于制品铁电相形成之前就加上电场，上电场，使顺电铁电相变在外加电场作用下进使顺电铁电相变在外加电场作用下进行，电畴一出现就沿外场方向取向行，电畴一出现就沿外场方向取向。由于高温时。由于高温时畴运动较容易，且

104、结晶各向异性小，电畴作非畴运动较容易，且结晶各向异性小，电畴作非180转向所受阻力小，造成的应力应变小，所以转向所受阻力小，造成的应力应变小，所以只要很低的电场就可以得到在低温时很高极化电只要很低的电场就可以得到在低温时很高极化电场的极化效果。场的极化效果。该方法具有极化电场小、不需要该方法具有极化电场小、不需要高直流电场设备、不用绝缘油和制品发生碎裂少高直流电场设备、不用绝缘油和制品发生碎裂少的特点的特点。适合于极化尺寸大（如压电升压变压器。适合于极化尺寸大（如压电升压变压器的发电部分），普通极化中需很高电压的制品。的发电部分），普通极化中需很高电压的制品。 压电陶瓷的制作工艺压电陶瓷的制作

105、工艺极化（极化（极化方法）极化方法） 压电陶瓷的制作工艺压电陶瓷的制作工艺极化（极化（工艺）工艺） 以油浴极化法介绍工艺如下：以油浴极化法介绍工艺如下： (1)清洁被极化元件与极化油、极化池、夹具。清洁被极化元件与极化油、极化池、夹具。 (2)检查元件绝缘电阻，电阻小于规定的剔除。检查元件绝缘电阻，电阻小于规定的剔除。 (3)装被极元件，保证与高压正负极接触良好。装被极元件，保证与高压正负极接触良好。 (4)极化：极化： 通电预热，升温到极化温度；通电预热，升温到极化温度；逐逐步升高电压到极化值，在规定极化时间内保温保压步升高电压到极化值，在规定极化时间内保温保压极化；极化；极化完后，关高压、

106、放电，取出被极元件；极化完后，关高压、放电，取出被极元件；清洗元件（汽油、四氯化碳、甲苯等作清洁剂）。清洗元件（汽油、四氯化碳、甲苯等作清洁剂）。 压电陶瓷的制作工艺压电陶瓷的制作工艺极化（极化（常见问题）常见问题）(1)飞弧飞弧 引起飞弧的引起飞弧的原因原因主要有：主要有： 极化油使用过久，分解出游离碳；极化油使用过久，分解出游离碳； 油中存在来自空气中的粉尘等污染物；油中存在来自空气中的粉尘等污染物； 元件边缘有残存银迹。所以应当定期过滤元件边缘有残存银迹。所以应当定期过滤极化油；检查和清除元件边缘残存银迹。极化油；检查和清除元件边缘残存银迹。 压电陶瓷的制作工艺压电陶瓷的制作工艺极化（极

107、化（常见问题）常见问题）(2)击穿击穿 击穿的主要击穿的主要原因原因有：有：该配方元件电阻率该配方元件电阻率低；低；元件致密度低，气孔率高；元件致密度低，气孔率高；元件存在元件存在气孔、夹层、杂质等缺陷；气孔、夹层、杂质等缺陷；元件严重缺铅，元件严重缺铅，引起银离子扩散深度大，银层附近颜色灰黑；引起银离子扩散深度大，银层附近颜色灰黑；烧结、烧银电极为还原气氛，导致还原而绝烧结、烧银电极为还原气氛，导致还原而绝缘电阻下降。这些都应在前期工序中加以克服。缘电阻下降。这些都应在前期工序中加以克服。 压电陶瓷的制作工艺压电陶瓷的制作工艺极化（极化（常见问题）常见问题） (3)断裂断裂 元件极化断裂的元

108、件极化断裂的原因原因有；有； 元件内部或表面有分层、裂纹等，易产元件内部或表面有分层、裂纹等，易产 生内应力集中；生内应力集中； 元件内密度不均匀造成极化应力分布不元件内密度不均匀造成极化应力分布不 均匀，形变不一致而碎裂；均匀，形变不一致而碎裂； 极化升温、升压速度过快造成局部形极化升温、升压速度过快造成局部形 变，导致断裂等。这也只有按照相关工变，导致断裂等。这也只有按照相关工 艺操作才能解决。艺操作才能解决。谢谢 谢谢 ！致谢：感谢本所尚勋忠副教授、硕士致谢：感谢本所尚勋忠副教授、硕士生刘珩、姜丹、郭金明在文字输入与生刘珩、姜丹、郭金明在文字输入与ppt制作上的辛勤劳动！制作上的辛勤劳动！