可行性方案刘海军

可行性方案刘海军正压电效应：某些材料在机械应力作用下，引起内部正负电荷中心相对位移业与技术领域。压电陶瓷的要紧应用领域举比如表1所示。表1压电陶瓷的要紧应用领域举例中的时间与频率标准信号源电声换能器声频范围的电声器件四发射与接收超声切割，焊接，清洗，搅拌，乳化及超声显示等频率高于20KHz的超声器件，压电马达，探测地质构造，油井固实程度，无损探伤与测厚，催化反应，超声衍射，疾病诊断等各类工水声换能器水下导航定位，通讯与探测的声纳，超声探测鱼群探测与传声器等滤波器通讯广播中所用各类分立滤波器与复合滤波器，如彩电中频滤波器；雷达，自控与计算系统所用带通滤波器，脉冲滤波器等声表面信号放大器与振荡器，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工业与航空技术上测定振动体或者飞行器工作状态的加速度计，自动操纵开关，污染检测用振动计与流速计，流量计与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与热成像，热电探测、跟踪器等位移与致动器光程长的操纵器调制用于电光与声光调制的光阀，光闸，光变频器与光偏转器，声开关等光信息存贮器，光经历器显示八其它非线性元件2.2压电陶瓷的极化机理及机电转换压电陶瓷换能器用陶瓷片的极化过程是压电陶瓷片的电畴在直流电场作用图二中的①为极化前，②为极化后，a为陶瓷片的厚度(即极化电极之间的尺寸),b为陶瓷片的电极。压电陶瓷片极化后，若给陶瓷片施加一个低于极化电压的交流电信号，陶瓷片就会产生形变，如图(3)所示。假如外加的交流电信号与极化电压的极性相同，就会使陶瓷沿着极化轴(即x方向)继续膨胀，而在垂直于极化轴的方向(即y方向)收缩，如图(3)中的③所示。若在陶瓷片上施加的交流信号呈极性相反时就会产生相反的作用：沿极化轴 (x方向)出现收缩，垂直于极化轴方向(y方向)出现膨胀。如图(3)中的①所示。在①与③清况下，当在陶瓷片电极上撤除电信号时，陶瓷片就回复到原先的极化尺寸如图2中所示。压电陶瓷片的膨胀与收缩作用使陶瓷片发生变形。两种作用的组合产生一种总体形变，形变性质取决于陶瓷的形状与组分、极化轴的取向与电极的取向。图(4)表示一些陶瓷片的一些形变模式、厚度与表面切变、厚度膨胀与收缩。通常有两种或者多种作用同时存在。极化过程完成之后，给陶瓷片加上一个压力与张力就会产生一个具有一定电压的交流电信号，见图5。如图所示，假如所加的压力平行于极化轴，或者所2.3压电陶瓷换能器制造工艺已引入了降低电导率与老化率的高价施主杂质，原料中在0.5%以内的杂质要求低机电损耗，因而配料中的杂质总量，愈少愈好即要求纯度均在98%以上。配方中比例小的其它原料，杂质总含量可稍高一些，通常均在3%下列，即要求纯度均在97%以上，特殊要求例外。(3)稳固性与活泼性稳固性是指未进行固相反应前原料本身的稳固性。如碱金属与碱土金属氧化物易与水作用，在空气中不易储存，不稳固。如Na、Ca、Ba、Sr、Mg的氧化物，不宜使用。宜使用与水不起作用、稳固的、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Na₂CO₃、CaCO₃、SrCO₃、BaCO₃、MgCO₃等。活泼性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全，利于降低合成温度，减少铅挥发。如Pb₃O₄原料比PbO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PbO。原料颗粒度要求小于0.2μm,微量添加物应更细。这样，可增加混料接触面积，利于互扩散反应，使构成均匀，性能良好。另外，还可减小陶瓷内应力，增在原料的处理方面，有下列常用方法：压电陶瓷使用的原料，若颗粒较粗时，如MnO₂、出厂未细磨的ZrO₂等，务必细磨。可采取振磨、球磨、行星磨等，小量原料也可用研钵研细。为了不影响配料的准确性，含水原料务必进行烘干脱水处理。通常在电热式干燥箱中干燥。温度110~120℃,时间很多于4小时，直至无水分为止。在大批量生产压电陶瓷时，每批购进的原料，因制造或者分装的厂商不一致、批次的不一致，其质量可能不一致。因此，应抽样化验其纯度或者杂质，检测其颗粒度，以保证压电陶瓷的性能。2.3.1.2配方计算与称料压电陶瓷材料的配方计算通常有两种方法：1)由原料的重量比来计算配方的方法①写出配方的化学分子式该方法适合于配方中以重量百分比给出添加物的情形。2)由原料mol数比例来计算配方的方法①写出配方的化学分子式③用下列公式计算各原料所需用量式中X为配料总mol数，其它同上。(2)称料计算称料务必达到下列要求：①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。②称料既要误差小，又要速度快，以减少原料汲取空气中水分而造成的误差。③称料与投料按大料小料大料顺序，以保证小料在混合中的均匀性。④严防各原料算错、称错、投错，要认真检查，严格核对。2.3.2混合与粉碎混合是将称量好的原料混合均匀、相互接触，以利于预烧时各原料间充分粉碎是将预烧好的料块碎细化，达到一定的平均粒度与粒度分布，为成型与烧成制造有利条件。(1)工艺方法使用球磨机(滚筒式、行星式、搅拌式与振动式等球磨机),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者粉碎。磨球靠电动机产生离心力、摩擦力与地心引力的共同作用，形成碰撞、循环翻动与自转等运动，使介于其中的粉料受到冲击与摩擦研磨，从而达到混合与粉具体球磨工艺视不一致球磨机而定，其合理的工艺参数要通过实验结果(球磨后混合均匀程度、粉料粒度大小与分布、混杂量、效率与成本等)优选，也可借鉴有关工艺参数。(4)球磨质量的要紧影响因素①球磨机转速(视球磨机类型、球磨罐大小等确定)②球磨罐(直径、内衬材料等)③磨球(比重、硬度、形状、磨损率⑤粉料、球与磨介的比例(视粉料的吸水性、球比重确定)⑦球磨时间(视球磨机类型、进料粒度而定)⑧球磨方式(干法、湿法)2.3.3预烧各相克分子数各相克分子数预烧(也称合成)是通过原料中原子或者离子之间在加热作用下的扩散来完由图14中以Pb₃O₄为原料的差热曲线可知：①630℃的吸热效应是因Pb₃O₄分解为PbO引起，并开始形成PbTiO₃,到650℃②790℃是PbO-ZrO₂-PbZrO₃三元共融液形成温度，但由于这时大量存在的PT马上与PZ生成PZT固溶体，因此这也是PZT开始形成的温度，该反应到850℃基本完成。图15表示保温2小时，PZT合成过程中各相随温度变化的情况。能够由图把反应按温度范围分成三段，即：PbO+TiO,→PbTiOPbTiO₃+PbO+ZrO₂→Pb(Zr₁Ti)O₃Pb(Zi_Ti₁)O₃+PbTiO₃→Pb(Zr_Ti)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。500℃前炉门微开，以利排除有机物与水分等，之后关炉门。升温速率：视炉内装料多少而定。最高温度：850℃左右(视配方而变化)保温时间：650℃左右保温1-2小时，以生成PT。850℃左右保温2小时，以生成PZT。降温速率：关电随炉冷却，至200℃下列出炉。炉内气氛：以中性或者氧化气氛为好；还原气氛会导致料粉还原发黑，务必严加操纵。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、均匀一致；有一定膨胀或者收缩(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)影响预烧的因素①原料活性及颗粒度这说明，固相反应的速度与原料扩散状况(Do)、活性温度成正比，而与原料颗粒平均直径成反比。③升温速率与保温时间。④坯料压紧力。⑤炉内温度均匀性、气氛等。2.3.4成型与排塑就是在一定温度下，将成型过程中加入瓷料中的粘合剂(或者塑化剂)排除，并干压坯体的结构：可看成由液相(粘合剂)层、空气、瓷料颗粒构成的三相1)加压方式2)压力对不一致瓷料、不一致形状制品，压强由实验确定。通常在1-1)粘合剂对成型的作用②增加瓷料的粘结性，使成型坯体具有一定的机械强度；③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②挥发温度范围宽，能缓慢分散地分解挥发，避免③挥发温度不能太低，以免与水分同时挥发，造成3)粘合剂的配制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/时)。把1)造粒的作用2)常用造粒方法及特点将瓷料加适量(如4-5wt%)的5%浓度PVA水溶液粘合剂，在研钵内手工细将瓷料加入4-5wt%的5%浓度PVA水溶液粘合剂，在混料机中搅研均匀，过用破碎机破碎圆饼，直至全部通过20目/时筛即可备用。但产量较小，效率不高，工艺操作要求严格，适合于实验室实验与中批量生产。③硬度(如HRC57-62);④脱模锥度(通常不小于1%);⑤形状、尺寸；⑥用材1)粘合剂②用量。过少，不利于成型。过多，排塑后，气孔多，影响坯体与瓷体密2)团粒性质3)加压制度4)模具(1)排塑的必要性物还原为导电的金属(如Pb)与半导体性质的低价氧化物(如Ti₂O₃),影响陶瓷1)根据PVA粘合剂的挥发性，严格操纵排塑的升温速度与保温时间。在排除PVA粘合剂过程中，100℃左右(随坯体厚度增加而增加)是水分的2)根据PVA粘合剂的分解特性，操纵排塑气氛nPb(ZrTi)O₃+nCO→nZrO₂+nCO₂↑+n(3)排塑工艺升温速度：0-450℃,50℃/h;450-750,150℃/h最高温度：750℃(600℃前，微开炉门，600℃关炉门)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(2)烧结过程有其发生进展原因(热力学驱动力)。(4)具体的烧结过程或者阶段的快慢决定于致密化速率(生长动力学方图16示意了固相烧结过程与阶段，下列加以分析说明。图16不一致烧结阶段晶粒排列过程(1)初期阶段(颗粒结合阶段，1050℃往常)大，小颗粒减小或者消失，气孔形状改变并发生坯体收缩，如图16、18、19所图18烧结中双晶粒结合示意图图19烧结中多晶粒结合示意图(2)中期阶段(晶粒生长阶段，1050-1200℃)晶粒成长是坯体中晶界移动的结果，如图20、21所示。弯曲的晶界总是向曲率晶粒则易被吞并，晶界交角为120°的六边形(晶粒截面)的晶粒最为稳固。该状态。在第二相包裹物(晶界中杂质、气孔等)的阻碍下，晶粒逐步减缓。图20烧结中晶界移动示意图图21烧结中期多晶体界面移动情况(3)末期阶段(晶粒校正阶段，1200℃一最佳烧结温度)(4)过烧与二次晶粒长大1)过烧2)二次晶粒长大制定合理的烧结条件的通常原则是：以最经济的指标),烧出高质量的瓷料(看性能等技术指标)。制定合理条件的根据是：①材料的相图构成一相-温度关系);②综合热分析(失重、胀缩、热差)数据；③瓷料烧结线收缩或者体积密度；④显微组织结(1)烧结温度但保温时间不宜过长；烧结温度范围较窄(±10℃)的瓷料，则在下限温度进行(2)升温速度与保温时间当升温速度较慢(200℃/h左右)时，烧结温度就宜偏下限，保温时间可适当延(3)降温速度与冷却方式避免还原发黑，可微开炉门，通过空气冷却；也可采取抽风降温快冷方式，到2.3.5.5.1烧结步骤(1)烧结前准备工作2)装埚、装钵与进炉，如图22所示。进炉应平稳轻轻推进，以免堆叠的坯图22装示意图(2)设置烧结程序(3)定期观察、