锆钛酸铅压电陶瓷的制备实验

1、锆钛酸铅压电陶瓷的制备实验引言：压电陶瓷我们将具有压电效应的陶瓷称为压电陶瓷，而压电效应分为正压电效应和负压电效应。正压电效应： 当对某些晶体施加压力、 张力或切向力时， 则发生与应力成比例的介质极化，同时在晶体两端面将出现数量相等、 符号相反的束缚电荷， 这种现象称为正压电效应， 如下图所示；逆压电效应： 当在晶体上施加电场引起极化时， 将产生与电场强度成比例的变形或机械应力，这种现象称为逆压电效应。注：实线代表形变前的情况；虚线代表形变后的情况。正压电效应示意图自从十九世纪五十年代中期，由于钙钛矿的PZT 陶瓷具有比BaTiO3更为优良的压电和介电性能，因而得到广泛的研究和应用。图1-1为

2、 Pb(Zr xTi 1-x )O3 体系的低温相图1 。在居里温度以上时，立方结构的顺电相为稳定相。在居里温度以下，材料为铁电相，对于富Ti组分（ 0 x 0.52 ）为四方相；而低Ti组分（ 0.52 x 0.94 ）为三方相。两种晶相被一条x=0.52的相界线分开。 在三方相区中有两种结构的三方相：高温三方相和低温三方相，这两种三方相的区别在于前者为简单三方晶胞，后者为复合三方晶胞。在靠近PbZrO3组分（0.94 x 1）的地方为反铁电区，反铁电相分别为低温斜方相和高温四方相。如图 1-2 所示 10 ，对于四方相，自发极化方向沿着六个 方向中的一个方向进行，而三方相的自发极化方向沿着

3、八个 方向中的一个方向进行。 由于自发极化方向的不同，在不同的晶体结构中产生不同种类的电畴，在四方相中产生180 o 和90o电畴，三方相中产生180o、 109o、71o电畴。一、实验目的：本实验主要是通过对具有压电性能的陶瓷材料 PZT （锆钛酸铅）的制备来掌握特种陶瓷材料的整个工艺流程，并掌握一定的性能测试手段。二、实验仪器：电子天平、粉末压片机、箱式电阻炉、成型模具、温度控制仪、准静态 d33 测量仪、极化装置、阻抗分析仪等。三、实验原理：实验室制备PZT 压电陶瓷的工艺路线为：配方设计 PZT 粉体混合研磨制备预烧成型排塑烧结上电极极化性能测试 PZT粉体制备PZT压电陶瓷的粉体制备

4、方法一般包括：固相法和液相法。传统固相法具有产量高、易于工艺等优点；液相法包括：溶胶凝胶法、水热法以及沉淀法，沉淀法又包括分步沉淀法和共沉淀法。其中，溶胶凝胶法和水热法研究较多。预烧混合后，压电坯料一般以粉末或颗粒的形式进行煅烧，煅烧的目的是：1、出结结合水、碳酸盐中的二氧化碳和可挥发物质；2、使组成中的氧化物产生热化学反应而形成所希望的固溶体；因为反应结果，又减少了再最后烧成的体积收缩。理想上，煅烧温度要选的高一些，使得能够发生完全反应；但太高的温度以后不容易研磨，且一些易挥发氧化物（如Pb 的化合物）容易挥发造成比例失调。研磨研磨可以使原先存在的不均匀性和煅烧产生的不均匀性得到改善。如果过

5、粗， 则陶瓷颗粒间会有大的空隙，同时降低烧结密度，如果太细，则他的胶体性质可能妨碍后来的成型。成型成型方法主要有注浆成型、可塑成型、模压成型以及等静压成型法。排塑成型后的制品要在一定的温度下进行排塑，排塑的目的，就是在一定的温度下，除了使在成型过程中所加入的粘结剂全部挥发跑掉以外，还使坯件具有一定的机械强度。烧结当前PZT 陶瓷烧结主要采用的是传统固相烧结，它虽然操作简单，但由于烧结温度过高，存在着严重不足。首先，高温下PbO 容易挥发损失，造成PZT 材料化学组分不能精确控制，影响了材料的使用性能，同时增加了对环境的污染；其次，由于锆离子的活动性差，对富锆PZT 陶瓷烧结十分困难，需要非常高

6、的温度，导致设备要求和能耗增加。为克服以上不足，各国学者进行了大量研究，积极寻找先进的烧结方法和合理的烧结工艺。改进的固相烧结；添加烧结助剂实现液相烧结；反应烧结（反应烧结即在组分相发生反应的同时致密化，粉体合成和烧结一步完成）；采用特殊装置和手段实现烧结（热压烧结是利用塑性流动、离子重排和扩散对材料进行致密化，微波烧结）。四、实验内容及步骤：1 PZT 粉料的称量与预烧（ 1）原料准备： Pb3O4、 TiO 2、 ZrO 2 等；（ 2）按照上个实验中所设计的配方，将原料在电子天平上进行称量；（ 3）将称量好的原料倒入研钵中， 加入适量酒精将原料混合均匀， 并研磨到一定细度 （大约 30

7、分钟）；（ 4）将混合好的粉料烘干，然后放入电炉中进行预烧，预烧制度：室温-500， 240 /h；500-700， 120 /h， 700保温 1h；700-900， 120 /h， 900保温 2-3h。达到保温时间后，关闭电炉电源，随炉冷却，炉温下降到200以下，坯件即可出炉。2 PZT 粉料的造粒与成型（ 1）将预烧好的粉料再进行研磨（大约 30 分钟），然后加入浓度为 5%的聚乙烯醇（ PVA ）水溶液大约 34 滴，混合均匀后将其烘干；（ 2）用压片机将烘干的粉料压制成直径 10mm，厚度约 1.1mm 的圆片。要求圆片无裂纹、不分层，至少压成 4 片符合要求的圆片。3 PZT 陶

8、瓷的预烧排塑与烧结将圆片放置在氧化铝坩埚板上，并用坩埚盖上，然后放入电炉中进行预烧排塑和烧结。预烧排塑和烧结是两个独立的工艺环节， 预烧排塑后应该使样品完全冷却后再进行烧结工艺进行。预烧排塑工艺制度：升温速率： 0-100 50/h; 100-500 120 /h; 500-870 180 /h（ h-小时）。预烧温度： 870 10保温时间： 2h，当达到保温时间后，关闭电源，随炉冷却至200以下，便可出炉。烧结制度：烧结温度视配方不同而变化。烧结温度在 1200-1300 30之间，保温时间为 1-2h。升温速率控制在 300 /h。4 PZT 陶瓷的上电极与极化用细砂纸将陶瓷片打磨平整光

9、滑；在光滑的陶瓷表面上镀上电极，然后用耐压测试仪进行极化。5 PZT 陶瓷的电学性能测试利用数字电桥测试陶瓷的电容量和介电损耗，利用准静态d33 测量仪测试样品的压电常数，利用阻抗分析仪测试样品的机电耦合系数kp 等。介电常数采用的计算公式：r4Ct /0 d 2，C 为电容（ F），t 为样品的厚度（ m），d为样品的直径（ m）， 0为真空介电常数 8.8510-12（ F/m）。注意事项：由于 PZT 陶瓷为含铅陶瓷，其烧结温度也较高，这样氧化铅在高温环境下具有相当高的饱和蒸气压，从而导致铅的挥发，其饱和蒸气压越高，铅挥发的越厉害，且随着锆 /钛比的增加， 氧化铅的饱和蒸气压逐渐增大， 使铅挥发变的更为严重， 从而造成化学组分偏离计量。当前，对于铅挥发一般采取的措施为：一、 在粉体合成时加入过量的铅。 一方面为弥补由于铅挥发造成计量的偏离， 使最终产品的组分接近化学计量；另一方面，过量铅的加入也可在烧结初期形成液相，以增加反应物的接触面积，加速锆、钛和掺杂物的扩散，提高制品的烧结致密性和均匀性。但铅的加入量应适量，太多或太少都将对最终产品的性能造成影响。二、制得高活性的 PZT 粉体，以图在较低的温度下实现致密化烧结，减少铅的挥发