压电陶瓷的压电原理与制作工艺

1、压电陶瓷的压电原理与制作工艺压电陶瓷的用途随着高新技术的持续进展，对材料提出了一系列新的要求。而压电陶瓷 作为一种新型的功能材料占有重要的地位，其应用也日益广泛。压电陶瓷的要紧应用领域举例如表1所示。表1压电陶瓷的要紧应用领域举例应用领域举例一 电源压电变压器雷达，电视显像管，阴极射线管，盖克技术管，激光 管和电子复制机等高压电源和压电点火装置二信号源标准信号源振荡器，压电音叉，压电音片等用作周密仪器中的时 刻和频率标准信号源三信号转换电声换能器拾声器，送话器，受话器，扬声器，蜂鸣器等声频范 畴的电声器件四发射与接收超声换能器超声切割，焊接，清洗，搅拌，乳化及超声显示等频 率高于20KHZ的超

2、声器件，压电马达，探测地质构造， 油井固实程度，无损探伤和测厚，催化反应，超声衍 射，疾病诊断等各种工业用的超声器件水声换能器水下导航定位，通讯和探测的声纳，超声探测，鱼群 探测和传声器等五信号处理滤波器通讯广播中所用各种分立滤波器和复合滤波器，如彩 电中频滤波器；雷达，自控和运算系统所用带通滤波 器，脉冲滤波器等放大器声表面信号放大器以及振荡器，混频器，衰减器，隔离器等表面波导:声表面波传输线六传感与计测加速度计压力计工业和航空技术上测定振动体或飞行器工作状态的加 速度计，自动操纵开关，污染检测用振动计以及流速 计，流量计和液面计等角速度计测量物体角速度及操纵飞行器航向的压电陀螺红外探测计监

3、视领空，检测大气污染浓度，非接触式测温以及热 成像，热电探测、跟踪器等位移与致动器激光稳频补偿兀件，显微加工设备及光角度，光程长 的操纵器七存贮调制用于电光和声光调制的光阀，光闸，光变频器和光偏 转器，声开关等存贮:光信息存贮器，光经历器显示铁电显示器，声光显示器等八其它非线性兀件压电继电器压电陶瓷的压电原理2.1压电现象与压电效应在压电陶瓷打火瓷柱垂直于电极面上施加压力，它会产生形变，同时还会产生高压放电。在压电蜂鸣器电极上施加声频交变电压信号，它会产生形变，同时还会发出声响。归纳这些类似现象，可得到正、逆压电效应的 概念，即：压电陶瓷因受力形变而产生电的效应，称为正压电效应。压电 陶瓷因加

4、电压而产生形变的效应，2.2压电陶瓷的内部结构.一材料学知识告诉我们，任何材料的性质是由其内部结构决定了的要了解压电陶瓷的电陶瓷的内部结构。边荻电陶瓷是22压电陶单晶应，称为逆压电效应。iSKx J， 因而原理，明白压电效应产生的缘故，第一必须明白压RmSKOkSImJ用现代仪器分析表征匍瓷结阳能够得到以下几点认识： 嵌”而成，如图1所示。图却BSPT压电陶瓷样品断面,SEM 每晶粒微观：上是由原子或离子; ，如图2所示。图2子在空间规则排列而成晶格每个昭片八、丿ffi规则排列图整体 如图4示意匸电畴组织，如图4q十Z1陶瓷中晶粒与此的粒小三格结构的电子显微镜照片粒的晶格方向不一定相同，排列是

5、纷乱而无规则的, 我们称其为多晶体。图4压电陶瓷晶粒的晶格取向示意图2.2.2压电陶瓷的晶胞结构与自发极化 晶胞结构3）型结构，女口 PbTiO3、BaTiO3、该类材料4或5价。其晶胞 （晶格中的结构单元）结构如图柑 1图5钙钛矿型的晶压电陶瓷的晶胞结构随温度立方相交相oPbTiO相B如图o（b）四方相转变为例，分0 | O關发极化的产示示图 自 以四肉结构 显是时有所变化的。如下式及图6所立方相BT中自发极化产生示意图泛的压电陶瓷3、Pb（ZrxTi1学通式为AB03。式中A的电价数为1或2, B的电价为 5所示。（a）图7由图可知，立方相时，正负电荷中心重合，不显现电极化；四方相时，因T

6、i4+沿c轴上移，02-沿c轴下移，正负电荷中心不重合，显现了平行于c轴的电极化。这种电极化不是外加电场产生的， 而是晶体内因产生的，因此成为自发 极化，其相变温度TC称为居里温度。压电陶瓷的电畴电畴的形成压电陶瓷中自发极化一致的区域称为电畴（或铁电畴）。下面以的钙钛 矿型结构从立方相变到四方相为例，讲明电畴的形成。c轴方向决定自发极化取向压电陶瓷中晶粒内部结构从立方相变成四方相时，任何一个轴都可能成 为四方相的c轴。又因自发极化平行于c轴，因此各晶胞的自发极化取向能 够彼此不同。但这不是一种能量最低状态。能量最低原则决定畴结构为了符合能量最低原则，四方相晶粒必须形成畴结构，即晶格匹配要 &g

7、t; 晶胞自发极化取向一致小区的存在粒中形成一定的小 I区排列状态一畴结构能量最低原则要自发极化取向不一致小区的搭配B之一平 用用， 示。如图33所示相结构决定畴壁类型界面就分别称为II 190向只能与原反应立方相三个晶轴+向只能成 90°角角或180°畴壁和180°畴壁，如图8所图8四方相晶体90°畴壁和180°畴壁示意图 电畴在外电场作用下的运动，反之 场方向IH曰及上加列,若； 一致的 畴，自压场，迫使电畴转向,的直流电场时，最后整自发极化方向与电场方向 个/示o变为单営直流电(c)极化后(a)极化前(b)极化过程中图9压电陶瓷在极化中电

8、畴变化示意图 铁电性与电滞回线由上述知，在T<TC时，压电陶瓷不但存在自发极化，而且自发极化方向还可因外电场作用而转向。这种特性称为咨询铁电性体。因此压电陶瓷 又称为铁电陶瓷，或称为铁电多晶体。图10压电陶瓷的电滞回线10所示。图中，PS为自发极化强度，Pr为剩余极化强度，EC为矫顽场强。压电 陶瓷极化工序中,；样选择电场强度才2-31 倍的EC2.3压电效极化过的压电陶瓷内的剩余极化强度总是以电偶极矩钜的形式表现出11所示。扱化方詞显现正束缚电荷，另一端显现负束缚电荷，如图作用，在束缚电荷作用下，陶瓷电剩辛余''极,八£ “，厂极面上吸附了一层来自外界的自由电

9、荷。飞虫电劈电极为了屏蔽和抵消图11陶瓷片内束缚电荷与电极上吸附的自由电荷示意图 正压电效应丨百|若在陶正压电效应若在陶瓷片上施加一个与极 被压缩， 当F撤除极化强度变小，开释部分丿原先吸附的自由电荷，显现放电现象 后，瓷片回复原状，极化 现充电现象。这种由机械力变电的效应称为正压电效应。O强度又变大，又吸附一些自由电荷，显'，或者讲由机械能转变为电能的现象，丄ZT2正压 逆压电效丿 若在陶瓷压电竿示意图（实线代表形变前，虚线代表形变后）示片上施加1方向相同的电场，如图 13所示。极化强度增大,瓷片发生伸长的形变。反之则发生缩短形变。这种由电点转变为 机械运动，或者讲机械能的现象，称为

10、逆压电效应。图13逆压电效应示意图（实线代表形变前，虚线代表形变后） 小结压电陶瓷的压电原理在于：压电陶瓷结构中存在自发极化和铁电畴； 通 过外界作用（施力或电场）改变其极化状态（含畴状态），实现能量转换而 表现出压电效应。3.压电陶瓷的制作工艺要得到性能良好的压电陶瓷，必须把握它的制作工艺。工艺条件的变化， 对压电性能的阻碍专门大。因此，我们要认识压电陶瓷的内在规律，设计 合理的制作工艺，严格操纵它的操作过程。压电陶瓷的制作过程要紧包括以下步骤：配料3.1.1原料的选择和处理原料是制备压电陶瓷的基础。选择原料一样应注意其化学组成和 物理状态。（1）纯度对纯度的要求应适度。高纯原料，价格昂贵，

11、烧结温度高，温区窄。纯 度稍低的原料，有的杂质可起矿钙化和助熔的作用，反而使烧结温度较低， 且温区较宽。过低纯度原料杂质多，不宜采纳。（2）杂质含量压电陶瓷材料中杂质承诺量要紧按照以下三点因素决定：1）杂质类型 有害杂质对材料绝缘、介电性等阻碍极大的杂质，专门是异价离子。如B、C、P、 S、Al等，愈少愈好。 有利杂质与材料A、B位离子电价相同、半径接近，能形成置换固溶的杂质。如 Ca2+、Sr2+、Ba2+、Mg2+、Sn4+、Hf4+ 等离子，一样在 0.20.5%范畴内， 坏的阻碍不大，甚至有利。2) 材料类型 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，原料中在0.5%

12、以内的杂质不足以明显阻碍施主杂质的既定作用。 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，愈少愈好，一样期望在0.05%以下。关于为了提升其它性能参数的有意添加物，另当别论。3) 原料在配方中的比例在PZT配方中，比例大的原料 Pb3O4、ZrO2、TiO2分别占重量比的6 0%、20%和 101%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 2%,即要求纯度均在98%以上。配方中比例小的其它原料，杂质总含量可稍高一些，一样均在3%以下， 即要求纯度均在97%以上，专门要求例外。(3) 稳固性与爽朗性稳固性是指未进行固相反应前原料本身的稳固性。如碱金属和碱土金属

13、氧化物易与水作用，在空气中不易储存，不稳固。如Na、Ca、Ba、Sr、Mg的氧化物，不宜采纳。宜采纳与水不起作用、稳固的、加热又能分解出爽 朗性大的新奇氧化物的相应的碳酸盐。如 Na2CO3、CaCO3、SrCO3、BaC 03、MgCO3 等。爽朗性是指在固相反应中原料本身的爽朗性型。 爽朗性型好的原料能促 使固相反应完全，利于降低合成温度，减少铅挥发。如Pb3O4原料比PbO原料爽朗性好。因其在加热中可分解脱氧成新奇爽朗性大的PbO。(4) 颗粒度原料颗粒度要求小于0.2卩m，微量添加物应更细。如此，可增加混料 接触面积，利于互扩散反应，使组成平均，性能良好。另外，还可减小陶 瓷内应力，增

14、加机械强度等。在原料的处理方面，有以下常用方法：(1) 细磨压电陶瓷采纳的原料，若颗粒较粗时，如MnO2、出厂未细磨的ZrO2等，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。(2) 烘干为了不阻碍配料的准确性，含水原料必须进行烘干脱水处理。 一样在电 热式干燥箱中干燥。温度110120C,时刻许多于4小时，直至无水分为止。(3) 化学分析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，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。3.1.2配方运算与称料(1) 配方运算压电陶瓷材料的配方运算通常有两种方法：由

15、原料的重量比来运算配方的方法写出配方的化学分子式写出所用原料的分子式、纯度，并查出其分子量 (mol质量) 用以下公式运算各原料所需用量Wi 严w P (i=1 , 2,，n) (1)式中xi为原料的mol数，Mi为其mol质量，xiMi为其质量，Pin为其纯度；xMi为配方总质量；W为总配料用量。i 1该方法适合于配方中以重量百分比给出添加物的情形。由原料mol数比例来运算配方的方法写出配方的化学分子式写出所用原料的分子式、纯度，并查出其分子量 (mol质量) 用以下公式运算各原料所需用量1w XiMi X 3(i=1 , 2,，n) (2)式中X为配料总mol数，其它同上。该方法运算比较简

16、单，专门是配方中以mol百分比给出添加物时，常用 此法。(2) 称料运算称料必须达到以下要求： 称料天平须有一定精度。批量生产中，大料用 0.1%克精度天平，小 料用0.01%克精度天平。称料前，校准零点。 称料既要误差小，又要速度快，以减少原料吸取空气中水分而造成 的误差。 称料与投料按大k小料大料顺序，以保证小料在混合中的平均性。严防各原料算错、称错、投错，要认真检查，严格核对。混合和粉碎混合是将称量好的原料混合平均、相互接触，以利于预烧时各原料间充 分的化学反应。粉碎是将预烧好的料块碎细化，达到一定的平均粒度和粒度分布，为成 型和烧成制造有利条件。(1) 工艺方法使用球磨机(滚筒式、行星

17、式、搅拌式和振动式等球磨机)，加磨球(钢球、 玛瑙球、锆球等)与介质(水、酒精等)，对原料进行机械混合或粉碎。(2) 工艺原理磨球靠电动机产生离心力、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，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。(3) 球磨工艺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(球磨后混合平均程度、粉料粒度大小与分布、混杂量、效率和成本等)优选, 也可借鉴有关工艺参数。（4）球磨质量的要紧阻碍因素 球磨机转速（视球磨机类型、球磨罐大小等确定） 球磨罐（直径、内衬材料等） 磨球（比重、硬度、形状、磨损率f生卫）G1 t 粉料

18、填充量（60%左右）粉料、球与磨介的比例（视粉料的吸水性、球比重确定） 磨介的作用（粘附、劈裂、流淌、分散等）球磨时刻（视球磨机类型、进料粒度而定）球磨方式（干法、湿法）预烧预烧（也称合成）是通过原料中原子或离子之间在加热作用下的扩散来未 完成固相化学反应，生成瓷料的过程。（1）预烧的目的 使各原料的固相化学反应充分平均，生成组成固定的固溶体，形成主晶相 排除原料中的二氧化碳和水分等：, 减小坯体瓷料的烧成收缩、 以便于操纵产品外形尺土匸变形,1-00（2） PZT 压压电瓷料的合成过程是懂得与 0 60f-料的合成过结果见图141-2所示0,20图14 pZt形成的差热曲线温度（©

19、PZT瓷曲勺基础。关于X射线分析等手段获得的图15 PZT合成时各相的变化由图14中以Pb3O4为原料的差热曲线可知：630C的吸热效应是因Pb3O4分解为PbO引起，并开始形成PbTiO3, 到650C形成PbTiO3的反应最为明显790C是PbOZrO2 PbZrO3三元共融液形成温度，但因为这时大 量存在的PT赶忙与PZ生成PZT固溶体，因此这也是PZT开始形成的温 度，该反应到850C差不多完成。图15表示保温2小时，PZT合成过程中各相随温度变化的情形。能够 由图把反应按温度范畴分成三段，即：反应 A: 350 680CPbO TiO2 PbTiO3反应 B: 625 800CPbT

20、iO3 PbO ZrO2 Pb(Zr1 xTix)O3反应C: 800C以上Pb(Zri xTix)O3 PbTiOs Pb(Zr1 x,Tix,)O3(x x)(3) 预烧工艺1) 装钵将混合干燥后的粉料装入钵内，并压紧、扎孔、加盖、入炉。500C前炉门微开，以利排除有机物和水分等，之后关炉门。2) 加热条件(以典型PZT为例)升温速率：视炉内装料多少而定。最高温度：850 C左右(视配方而变化)保温时刻：650C左右保温1-2小时，以生成PT。850C左右保温2小时，以生成PZT。降温速率：关电随炉冷却，至 200 C以下出炉。炉内气氛：以中性或氧化气氛为好；还原气氛会导致料粉还原发黑，必

21、 须严加操纵。硅碳棒炉好于电阻丝炉。(4) 预烧瓷料质量要求外观：颜色正常、平均一致；有一定膨胀或收缩(视具体配方)；硬度适 中。化学分析：游离锆、钛、铅少，小于 0.5%相分析：为钙钛矿相，无杂相。(5) 阻碍预烧的因素原料活性及颗粒度r为颗粒直径；D0为扩散频率因子;其制约关系有t 2D0 £式中，t为固相反应完全所需时刻;Q为激活能；T为温度；k为常数。这讲明，固相反应的速度与原料扩散状况（D0）、活性（丄）、温度成正比, 而与原料颗粒平均直径成反比。 合成温度（以上已讲明）。 升温速率和保温时刻。 坯料压紧力。 炉内温度平均性、气氛等。3.4成型与排塑成型确实是将瓷料压制成所

22、需要的形状规格的坯体，并为烧结制造条 件。排塑确实是在一定温度下，将成型过程中加入瓷料中的粘合剂（或塑 化剂）排除，并使坯体具有一定的机械强度。3.4.1成型坯体成型的方式和方法专门多，如压力成型法、可塑成型法和浆料成型 法等，每大类成型法中又可分为若干具体成型方法。能够按照制品的形状、 规格、大小来选择使用，但各有利弊。那个地点仅介绍广泛采纳的干压成 型法。干压成型是将通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。干压成型原理在外力作用下，瓷料颗粒在模具内相互靠近，并借助内部作用力牢固地 把各颗粒联系起来，成为保持一定形状的坯体。干压坯体的结构：可看成由液相（粘合剂

23、）层、空气、瓷料颗粒组成的 三相结合体系。成型条件选择的一样原则加压方式干压成型一样分单向加压和双向加压两种方式。 较薄制品可采纳单向加 压方式；厚制品宜采纳双向加压，以使坯体内密度较平均。压力对不同瓷料、不同形状制品，压强由实验确定。一样在 1-3T/cm3范畴, 以保证坯体密度平均地达到 5.4-5.7g/cm3。加压速度和保压时刻关于较大体积坯体，加压必须缓慢，达到最大压力后，需保压一定时刻， 以利于排除坯体中的空气，防止分层和裂纹。对薄小坯体，加压可较快， 保压几秒钟即可。粘合剂的使用1）粘合剂对成型的作用给予瓷料以可塑性，便于成型，且坯体具有较高的、平均的致密度；增加瓷料的粘结性，使

24、成型坯体具有一定的机械强度；减少瓷料与模壁间的摩擦力，便于脱模，减小分层裂纹现象。2）压电陶瓷制品对粘合剂的要求有足够的粘结性；挥发温度范畴宽，能缓慢分散地分解挥发，幸免快速集中挥发引起坯体 开裂；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，但也 不能太咼，引起铅等挥发；加热挥发后，无残留杂质，以免阻碍制品的性能。3）粘合剂的配制粘合剂的品种专门多，压电瓷料干压成型使用聚乙烯醇（PVA）的比较 多，无毒，且差不多能满足上述要求。以下介绍其典型配方、特点及制法。5%浓度的PVA水溶液，配方简单，成本低，但存放期短（10天以内）。PVA:甘油：酒精：蒸馏水=15: 7: 3: 75

25、（wt%）。粘度较大，存放期 较长，不易变质，但较低温度下过稠，不宜采纳。造粒造粒是将瓷料混合粘结剂后，制成流淌性好的较粗颗粒（约20目/吋）。把这种颗粒称为团粒，以示区别。造粒的作用因细磨后的瓷粉细且轻、比表面积大、占据体积大，从而流淌性差、装 填密度和压实密度不高。因此造粒的作用就在于平均瓷粉中的粘合剂、增 加其颗粒度、比重和流淌性，使成型坯体致密度提升。常用造粒方法及特点 一般手工造粒法将瓷料加适量（如4-5wt% ）的5%浓度PVA水溶液粘合剂，在研钵内 手工细混平均，然后过筛即可。该法操作简单，但劳动强度大，混合难以平均，团粒质量不高，效率低， 仅适合实验室和小量生产。 加压造粒法将

26、瓷料加入4-5wt%的5%浓度PVA水溶液粘合剂，在混料机中搅研平 均，过20 目/吋筛。然后在液压机上用压模以180-250kg/cm2压力保压1分 钟压成圆饼。用破裂机破裂圆饼，直至全部通过20目/吋筛即可备用。该法团粒密度大，坯体机械强度高，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，工艺操作要求严格，适合于实验室实验和中 批量生产。 喷雾干燥造粒法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。团粒粗细可由雾化有关条件操纵。该法颗粒为球状、流淌性好、质量好、且产量大、连续生产、效率高， 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。模

27、具设计模具的设计以制品的形状、尺寸、压力、粉料压缩化、烧结收缩率、粗 糙度等为依据，设计模具：配合精度（如三级精度配合）：光洁度（如 工作面 10）；硬度（如HRC 57-62）;脱模锥度（一样不小于1%）； 形状、尺寸；用材（工具钢，如 Cr 12钢）等。阻碍成型质量的因素粘合剂以PVA粘合剂为例，要紧阻碍因素有：聚合度n。n过大，链节长，粘结力和弹性大，不利于造粒和成型； n 过小，链节轻，弹性和粘结力小，起不到粘合剂作用。 n样选1750士 50 较合适。用量。过少，不利于成型。过多，排塑后，气孔多，阻碍坯体和瓷体密 度及机电性能团粒性质要紧包括粒形、粒度、粒度分布、密度等对流淌性、装填

28、密度和压实密 度的阻碍。加压制度包括加压方式、成型压力、加压速度和保压时刻对成型质量的阻碍。模具模具阴阳件的配合精度、光洁度、脱模锥度等对成型坯体有重要的阻碍。342排塑（1）排塑的必要性成型坯体中粘合剂是一种高分子化合物， 含碳多，碳在氧气不足时燃烧 产生还原性专门强的一氧化碳。一氧化碳夺取PZT中的氧而形成二氧化碳， 使金属氧化物还原为导电的金属（如 Pb）和半导体性质的低价氧化物（如 Ti2O3）,阻碍陶瓷的颜色、成瓷性、烧银、极化和最终性能。因此，在烧 结前，必须对坯体进行排塑。（2）排塑的差不多要求1）按照PVA粘合剂的挥发性，严格操纵排塑的升温速度和保温时刻。在排除PVA粘合剂过程

29、中，100C左右（随坯体厚度增加而增加）是水 分的挥发，200-500C是PVA的挥发温区。如此，100C左右要保温一段时 刻，500 C往常必须缓慢升温。2）按照PVA粘合剂的分解特性，操纵排塑气氛PVA粘合剂加热分解及氧不足情形下对 PZT作用的反应式有：（CH 2 CHOH ）n nC nH2OnC nO2 nCO如此ZrTPOT坯体发空了不同程度的还麋反应”0将导致的结果有：烧结时不易结晶成瓷，颜色不正常；烧银时发生渗银发黑，极化时则难以加上电压；陶瓷电性能恶化等。因此，必须确保使排塑炉内有充足的氧气氛。（3）排塑工艺将坯体装入透气性好的耐火槽板中， 推入氧气气氛好的排塑炉内，按 定加

30、热制度排塑。典型例如下：升温速度：0 450C, 50C/h; 450 750, 150C/h最高温度：750C（ 600C前，微开炉门，600 C关炉门）保温时刻：1h冷却方式：关电源随炉冷却。4.烧结烧结是利用热能使坯体转变为具有某种显微组织结构的致密陶瓷体的 工艺过程。4.1烧结理论要点与烧结过程为了懂得烧结原理，自觉执行烧结工艺，那个地点先简要介绍烧结理论 要点和固相烧结过程。4.1.1烧结理论要点按照烧结的热力学和动力学研究，其理论要点有：烧结是一个过程，且具有时期性；烧结一样分为固相烧结和液相烧结两 大类型。烧结过程有其发生进展缘故（热力学驱动力）。外因：外部给予的热能；内因：瓷料

31、总界面能的减少。烧结过程中存在物质传递。传质模型和机理要紧有：流淌；扩散； 蒸发与凝聚；溶解与沉淀等。具体的烧结过程或时期的快慢决定于致密化速率（生长动力学方程）。4.1.2固相烧结过程与时期图17 PZT系压电陶瓷烧结时期对致密性的阻碍（1）初期时期（颗粒结合时期，1050C往常）相互接触的颗粒通过扩散使物质向颈部迁移, 粒长大19所晶粒结合示意图顾粒减小或消逝,连续扩散，和邻的晶界相交并形成网络,导致颗粒中心接近，大颗16、18、f变并发生坯体收缩，如图为连续贯穿状态。图曰界总是向 粒易长大 截面）的 度降低， 气孔等）勺阻碍下,图19烧结中多晶粒结合示意图该时期晶粒平均粒径小、结构松疏、

32、线收缩小。（2）中期时期 （晶粒生长时期,，1050 1200C）一晶粒成长是坯体中晶界移动的结果，如图 20、21所示。弯曲的晶 愈愉快。边数大于六边的晶-边的晶粒则界交角为 120°的六边形（晶粒气孔由连续贯穿变该时期线收缩和体密度明显增加，显气孔率大幅 二相包裹物（晶界中杂质、图21烧结中期多晶体界面移动情形（3）末期时期（晶粒校正时期，1200C最佳烧结温度）晶粒缓惯校正性长大，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，余下气孔体积缩小，最后变成彼此孤立、互不 连通的闭口气孔。这种气孔一样处于多个晶粒的交界处，其内部压力高， 进一步排除困难。（4）过烧和二次

33、晶粒长大1）过烧在达到最佳烧结温度后，连续升高温度，则晶界运动加剧，二次粒 长大量显现，闭口气孔膨胀、裂开，密度下降的现象，称为过烧。过烧后 的瓷件性能低下，要加以操纵。2）二次晶粒长大当晶粒的正常长大由于包裹物阻碍而停止时，烧结体内可能有少 数晶粒专门大，边数多，晶界曲率也较大。在一定的条件下，它们能越过 包裹物而连续反常长大。这种现象称为二次晶粒长大。造成二次晶粒长大的缘故，是由于：瓷料本身不平均，有少数 大晶粒存在；成型压力不平均，造成局部晶粒易长大；烧成温度过高， 加剧大晶粒生长；局部有不平均的液相存在，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；当瓷料粒度极细时，活

34、性大， 烧结温区窄，常易在小晶粒基相中显现大的晶粒。4.2烧结条件4.2.1制定烧结条件的依据烧结条件要紧由四个方面组成：升温速度；最高烧结温度； 保温时刻；降温速度和冷却方式。制定合理的烧结条件的一样原则是：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）。制定合理条件的依据是：材料的相图组成一相一温度关系）；综合 热分析（失重、胀缩、热差）数据；瓷料烧结线收缩或体积密度；显 微组织结构分析；制品电性能数据。4.2.2烧结条件的确定确定烧结条件要重点关注两个方面的关系：；一是烧结条件与瓷料 组织结构、性能的关系；二是烧结条件与坯体形状尺寸的关系。以下加以 分别

35、讲明。（1）烧结温度PZT系陶瓷元件的烧结温度，要紧取决于配方的化学组成、瓷料 粒度、坯体的形状尺寸、成型方式、升温速度和保温时刻等。最佳烧成， 一样差不多上在试烧时，分别测定各种不同烧结温度下元件的收缩、密度、 组织结构和电性能参数，综合比较而确定的。一样讲来，烧结温度范畴较宽（士 30C）的瓷料，应在烧结的上 限温度进行烧结，但保温时刻不宜过长；烧结温度范畴较窄（士 10C ）的 瓷料，则在下限温度进行烧结；并可适当延长保温时刻。（2）升温速度和保温时刻当升温速度较快（300C/h左右）时，烧结温度就宜偏上限，保温 时刻不宜延长；当升温速度较慢（200C/h左右）时，烧结温度就宜偏下限,

36、保温时刻可适当延长。鉴于PbO在高温下易挥发，形状简单的小尺寸坯件，较快速度 升温顺短期保温（w 1h）。但大件且外形复杂的坯件，则应适当变慢升温速 度和延长保温时刻，且力求密封烧结，以使制品烧结平均，幸免失铅。（3）降温速度和冷却方式降温速度和冷却方式要紧取决于坯件形状尺寸和烧结炉的构造。-样中小型坯件都能够采纳停电随炉自然冷却的方式。形状简单的小型坯件， 为了使晶粒细化，幸免还原发黑，可微开炉门，通过空气冷却；也可采取 抽风降温快冷方式，到850C以下再进行随炉自然冷却。形状复杂的大型坯 件，一样操纵在100 C /h的降温速度冷却，以免变形开裂。4.3烧结工艺步骤与质量判定4.3.1烧结

37、步骤（1）烧结前预备工作1）检查： 性能等炉况； 缽好坏程度等。牟炉发热©体好坏、烧烧结耐火配件，如坩埚2）装埚、装缽和的坯体错动。丁和进炉，如图122立置、电流电压的平稳、保温完好、配合、吸铅程度，匣进炉应平稳轻轻推进，以免堆叠7】一匣萍筆乍2刚玉曲料3隔f 4一制品,5 昆萍,6ffi®> 7塔闹蓋）R轼化铝粉宾*图22装缽示意图（2）设置烧结程序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。（3）定期观看观看、调整、记录烧结炉运行状况，并在接近最佳烧结 温度和保温时刻，反复检查、测定、校正温度，防止温度的偏离高。（4） 保温终止以后，停电，自然冷却或

38、按其他降温冷却方式冷却。2 00C以一下可出炉。4.3.2烧结质量的判定压电陶瓷烧结质量的判定，除了测定致密度、电性能和显微组织 结构外，生产可采纳更简单更直截了当的直观判定法。按照这种判定方法， 较佳烧结质量的瓷件应具备以一下特点： 室温下颜色：平均一致、有光泽； 粘结现象：瓷件之间稍有粘结，但易分开； 收缩率：约12%左右； 墨水扩散：不渗墨水，无扩散现象； 声响：敲击时有清脆的金属声； 机械强度:强度高，不易被折断； 断面状况：平均、致密、无气孔、断口呈贝壳状，有光泽； 在同一炉、同一埚内的瓷件，上述特点差不多一致，无明显差别。 4.4阻碍烧结的要紧因素（1）原料的阻碍不同规格、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，烧结条件也会产生相应的变化。（2）锆钛比（Zr/Ti）比阻碍随Zr/Ti的增加，烧结温度随之增高，甚至难以烧结。（3）添加物的阻碍阻碍烧结的添加物要紧有以一下几类： 产生A位缺陷的“软性”添加物（如La3+,Nb5+等）。利于离子扩散， 烧结温度范畴扩大，提升烧结速度。 产生0空位的“硬性”添加物（如Na+,Fe3+