压电陶瓷制作工艺.doc

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1、172.2陶瓷样品的制备2.2.1陶瓷样品的制备流程将以上初始原料按照化学计量比称量后放在红外烘箱内干燥，装入密封的球磨罐中，对于含有Na2CO3试剂的系列样品，采用无水乙醇为球磨介质，其他系列样品则以蒸馏水为球磨介质球磨四小时。将所得浆料和玛瑙磨球分离后烘干，而后装入氧化铝坩锅，按照不同体系采用不同预合成制度对于样品进行预合成。陶瓷粉料的预合成过程是一种化学反应进行的过程。这种化学反应不是在熔融状态下进行的，而是在比熔点低的温度下，利用固体颗粒间的扩散来完成的固相反应。对体系（1）和（2）采用590℃×1h+710℃×1h+820℃×1h的预合成制度[44]；由于体系（3）是高层数的铋层

2、状结构，其合成需要较高的能量方能实现，故采用以的速率升至850~900℃的高温，之后保温2小时。将预合成完的粉料手工研磨成200目左右的细粉，以质量比为5~8%加入聚乙烯醇（PVA）粘合剂造粒后并取120~150目粒径的粉料，在单向压力机上以16.3MPa的压力压制成直径为10毫米，厚度在0.8~1.8毫米范围内的圆片坯体。经过550℃保温1小时排胶后在大气环境下对坯体进行烧结。影响陶瓷烧结的因素主要有锻烧温度、保温时间和升温速率等。锻烧温度对成瓷的质量极为重要，它直接影响到陶瓷的致密度和晶体生长。烧结过程中致密度的提高主要是靠离子扩散来进行。离子扩散的速度由扩散系数η决定。扩散系数是温度

3、的函数，即其中η0是与材料的性质和颗粒大小有关的常数，β是与活化能有关的常数。由公式可以看出，当温度升高时，扩散系数增大，烧结过程加快；但温度过高，超过烧结温度的上限，则由于出现过多的液相，可能发生粘连，或由于挥发使密度下降，性能恶化，也会容易造成陶瓷发生较大的变形。烧结温度对晶粒生长也有很大影响，随着温度的升高，晶粒生长的速度加快，所以温度过高也会使陶瓷由于晶粒生长过大而变脆，强度减弱。保温时间、升温速率等对成瓷质量也有影响。根据他人的报道及我们的初步探索，对于（1）体系在960~1160℃；（2）体系在1100~1160℃烧结2小时以制备致密陶瓷；（3）体系在960~1140℃范围内烧

4、结。在初期摸索烧结工艺时，没有采用任何特殊的方法来防止Bi挥发，烧结后陶瓷片色泽呈淡黄与明黄相间，样品的强度差、成瓷性不好。因此，后期在烧结时采用Bi2O3粉料提供Bi气氛及埋烧的方法以防止Bi元素挥发，制备致密的陶瓷材料。在铋层状陶瓷的制备过程中，由于Bi2O3在高温下挥发，在材料中容易形成Bi空位，随后产生氧空位，从而影响材料的漏电流和抗疲劳性能。为补充材料制备过程中损失的Bi元素，一般在烧结过程中，在承烧板（锆板）上烧结样品附近的某一区域内放入原料质量比为5~10％的Bi2O3原料形成Bi气氛，以保证晶粒正常生长。Bi2O3的熔点只有824℃，在烧结过程中当温度高于熔点时，会形成液相

5、。液相的形成有助于烧结初期快速提高密度，但是最终会得到一个比较低的密度，这是由于液相的原因形成了孔隙，而这些孔隙又是烧结中难以消除的。因此适量添加Bi2O3粉料形成Bi气氛将对铋层状陶瓷的烧结行为产生很大的影响。在烧结过程中，为尽量减少Bi2O3的挥发，采用图2.1所示的埋粉法烧结。埋烧法是在高温锻烧时用三氧化二铝作为埋粉将要烧结的预合成好的陶瓷坯体夹中间。图2.1埋烧法示意图Fig.2.1.Schematicdiagramofthesinteringprocess图2.2固相反应法的工艺流程图Fig.2.2Schematicrepresentationfortheprocessofthe

6、preparation由于高层数的铋层状陶瓷难以形成，因此我们精确控制坯体烧结时的升温速率：在900℃以前分别以10℃/min快速升温，此后分别以8℃/min和5℃/min升至所需烧结温度，并在烧结温度下保温2~2.5小时。将所制备的样品用320~800目的砂纸打磨成0.5mm厚度的陶瓷圆片，并在上下表面分别镀上电极，两边镀上不同直径大小银电极的目的为了防止边缘漏电效应。固相反应法制备铋层状陶瓷的具体工艺流程如图2.2。164.3.2极化工艺对压电性能的影响经人工极化处理以后，压电陶瓷的电畴按极化电场方向取向排列，这个取向的程度愈高，材料的压电活性就愈强。对于晶格结构很完整的材料，要使它的

7、电畴作90°转动就比较困难。因而极化以后的效果，或者说对极化强度的贡献，主要是来自极化时作180°反转的那些畴。在这种情况下，材料的压电性能就比较难于充分地发掘出来。如果能够设法使一些晶胞的结构发生畸变，这样在人工极化处理时就有利于晶胞自发极化的转向，即有利于电畴的反转，压电活性也就会有所提高。[7]铁电陶瓷要经人工极化处理后，才具有压电性。要使铁电陶瓷得到高程度的极化，充分发挥其潜在的压电性能。合理地选择极化条件。即选