PZT壓電陶瓷存在的問題及解決對(duì)策.doc

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1、PZT壓電陶瓷由于具有居里溫度高、壓電性強(qiáng)、易摻雜改性、穩(wěn)定性好等特點(diǎn)，自20世紀(jì)60年代以來，一直是人們關(guān)注和研究的熱點(diǎn)，在壓電陶瓷領(lǐng)域中占主導(dǎo)地位。就PZT壓電陶瓷的制備工藝而言，PZT粉體合成和致密化燒結(jié)對(duì)PZT制品質(zhì)量影響最大。PZT粉體具有粒度細(xì)、比表面積大、反應(yīng)活性高等優(yōu)點(diǎn)，可降低燒結(jié)溫度，減少鉛揮發(fā)，保證準(zhǔn)確的化學(xué)計(jì)量，提高PZT制品性能，因而超微PZT粉體的制備已成為PZT壓電陶瓷研究的重點(diǎn)。近年來對(duì)超微PZT粉體制備的研究開發(fā)了許多新的方法。固相法除傳統(tǒng)固相法外，還包括微波輻射法、機(jī)械化學(xué)法、反應(yīng)燒結(jié)法等。液相法具有合成溫度低、設(shè)備簡單、易操作、成本低等優(yōu)

2、點(diǎn)，紛紛被用于PZT粉體的制備，如溶膠-凝膠法、水熱法、沉淀法等。但對(duì)PZT壓電陶瓷的制備及性能研究仍存在許多不足，主要包括：粉體團(tuán)聚、化學(xué)計(jì)量及制品性能易老化等。1.粉體團(tuán)聚：一般包括軟團(tuán)聚和硬團(tuán)聚。軟團(tuán)聚是由于隨著粉體顆粒尺寸的減小，顆粒之間的范德華力、靜電吸引力和毛細(xì)管力等增強(qiáng)并相互作用形成；硬團(tuán)聚是由于化學(xué)結(jié)合的OH—基團(tuán)間的氫鍵作用[2OHH2O(g)+O2-]形成橋氧鍵，顆粒之間的橋氧鍵相互作用而形成。團(tuán)聚問題超微PZT粉體優(yōu)異性能得以體現(xiàn)的最主要因素，也極大地影響PZT制品的質(zhì)量。這是由于PZT材料屬于功能材料，該材料對(duì)合成粉體的基本要求是：高純、超細(xì)、粒度分

3、布均勻、分散性好、化學(xué)計(jì)量準(zhǔn)確以及摻雜均勻等。另外，PZT粉體合成中團(tuán)聚的出現(xiàn)將導(dǎo)致堆積密度的下降和形態(tài)的不均勻，并將引入大量的氣孔而導(dǎo)致微觀結(jié)構(gòu)的不均勻，嚴(yán)重影響低PZT制品的壓電、熱電性能。故減少或避免超微PZT粉體合成中的團(tuán)聚是制備高性能PZT壓電陶瓷的前提。PZT粉體制備中的團(tuán)聚包括軟、硬團(tuán)聚2種形式。對(duì)于不同的粉體制備方法，團(tuán)聚機(jī)理也不盡相同。傳統(tǒng)固相法合成PZT粉體，其工藝特點(diǎn)是需反復(fù)球磨及煅燒溫度高，反復(fù)球磨不僅易引入雜質(zhì)，且過粉磨易導(dǎo)致團(tuán)聚的形成，特別是近年來發(fā)展的機(jī)械化學(xué)法主要是利用機(jī)械能完成；煅燒溫度過高也可能導(dǎo)致粉體團(tuán)聚。采用液相法合成PZT粉體，由于

4、液相中生成固相微粒一般要經(jīng)過成核、生長、聚結(jié)、團(tuán)聚等過程。因而其團(tuán)聚結(jié)構(gòu)可能形成于：一是液相中生成固相微粒時(shí)，由于在Brown運(yùn)動(dòng)的作用下，微?；ハ嘟咏?，當(dāng)微粒之間的動(dòng)能大于形成團(tuán)聚體的勢(shì)壘時(shí)，微粒之間在Brown運(yùn)動(dòng)的作用下而相互團(tuán)聚；二是在固液分離過程中，隨著最后部分液相的排除，由于表面張力的作用使固相顆粒相互靠近而聚集在一起。尤其以水為溶劑合成PZT粉體，最終殘留在顆粒間的微量水將通過氫鍵使顆粒和顆粒緊緊地粘連在一起。此外，制備的PZT粉體前驅(qū)物一般在500~700℃內(nèi)煅燒，也可能導(dǎo)致粉體團(tuán)聚，還可能使已形成的團(tuán)聚體由于局部燒結(jié)而加重團(tuán)聚結(jié)構(gòu)的形成?？梢姡怨渤恋矸ㄖ?/p>

5、備PZT粉體，共沉淀、晶粒長大到沉淀的漂洗、干燥、煅燒的每一段均可能導(dǎo)致顆粒長大及團(tuán)聚體的形成。根據(jù)團(tuán)聚的形成原因，減少或避免超微PZT粉體制備中的顆粒長大和團(tuán)聚可從這以下幾方面考慮：一是成核與生長過程的分離，促進(jìn)成核，控制生長；保證成核速率大于生長速率，即保證PZT粉體前驅(qū)物在較大的過冷度或高的過飽和度下生成。二是PZT粉體團(tuán)聚的防止，包括粉體制備過程中的如何抑制團(tuán)聚的方法包括：1）選擇合理的反應(yīng)條件（如pH值、反應(yīng)濃度和溫度等）；2）粉體合成或干燥過程中的特殊處理。包括粉體合成過程表面張力低，因而可獲得團(tuán)聚程度較輕的粉體驅(qū)物；在干燥過程中采用特殊的干燥工藝，主要有冷凍干

6、燥、超臨界干燥以及遠(yuǎn)紅外干燥等，其基本原理是消除具有巨大表面張力的氣-液界面，或使顆粒被固定而不能相互靠近，如冷凍干燥是利用低溫、負(fù)壓使凍成固相的原液相介質(zhì)在負(fù)壓下升華，由于固相顆粒被凍住在原液相介質(zhì)中，且顆粒之間的毛細(xì)管內(nèi)不存在具有巨大表面張力的氣液界面，從而避免了因“液橋”引起的嚴(yán)重團(tuán)聚問題；3）選擇最佳的煅燒條件或采用特殊的工藝，如利用微波加熱不需傳熱、能量利用率高等特點(diǎn)來取代傳統(tǒng)高溫電爐，在600℃獲得了單一組分的PZT熱體。團(tuán)集體形成后消除團(tuán)聚的方法有：沉積或沉降、研磨和超聲波處理、加入分散劑等。如王西成以金屬醇鹽和硝酸鹽為原料，嚴(yán)格控制共沉淀生成、洗滌、分散液的

7、選配條件，采用冷凍干燥技術(shù)，再經(jīng)合理煅燒工藝，合成了組分均勻、無硬團(tuán)聚體、單一鈣鈦礦相、高燒結(jié)活性的壓微米級(jí)PZT（52/48）微粉。用冷等靜壓（CIP）技術(shù)成型，在800℃即可實(shí)現(xiàn)密化燒結(jié)，其相對(duì)密度達(dá)到98%。2化學(xué)計(jì)量:對(duì)PZT制品質(zhì)量的影響主要包括2個(gè)方面：一是PZT壓電陶瓷燒結(jié)過程中鉛揮發(fā)導(dǎo)致組分偏離準(zhǔn)確的化學(xué)計(jì)量而使制品性能降低；另一方面指組分中Zr/Ti的波動(dòng)而影響PZT制品性能的穩(wěn)定性。鉛揮發(fā)一般被認(rèn)為是由于PZT壓陶瓷的燒結(jié)溫度較高，氧化鉛在高溫環(huán)境下具有相當(dāng)高的飽和蒸汽壓而導(dǎo)致鉛揮發(fā)，飽和蒸汽壓