壓電陶瓷原材料的處理和選擇

1、壓電陶瓷原材料的處理和選擇壓電陶瓷主要工藝介紹原材料的本質(zhì)將對(duì)壓電陶瓷的最終性能產(chǎn)生決定性的影響。壓電陶瓷與傳統(tǒng)的陶瓷最大的區(qū)別是它對(duì)原料的純度，細(xì)度，顆粒尺寸和分布，反應(yīng)活性，晶型，可利用性以及成本都必須加以全面考慮和控制。原材料在很大程度上，可決定壓電陶瓷元件性能參數(shù)的高低，對(duì)工藝的順利進(jìn)行有重要影響因此，對(duì)所用元材料的性能必須有所了解，選擇原材料必須符合經(jīng)濟(jì)合理的原則。壓電陶瓷所用的各種原料，一般都是各種金屬氧化物，有時(shí)也采用各種

2、鈦酸鹽，鋯酸鹽，錫酸鹽，鐵酸鹽和碳酸鹽等。目前壓電陶瓷生產(chǎn)上所用的各種原材料，具有很強(qiáng)的地方性，原材料的質(zhì)量往往隨產(chǎn)地和批號(hào)的不同而有很大的區(qū)別和差異。嚴(yán)重影響了生產(chǎn)質(zhì)量的穩(wěn)定性。因此掌握原材料質(zhì)量對(duì)產(chǎn)品性能的影響，進(jìn)而在生產(chǎn)中預(yù)以有效的控制，對(duì)確保產(chǎn)品的質(zhì)量有很大的現(xiàn)實(shí)意義?？偟膩?lái)說(shuō)，壓電陶瓷材料所用的原材料可以分為化工原料和礦物原料二大類。凡是經(jīng)由化工廠加工處理而提供的原料稱為化工原料如 BaCO3. SrCO3. CaCO3. M

3、gCO3. Pb3O4. TiO2. ZrO2. Nb2O5. La2O3等，而直接由礦山開(kāi)采，只經(jīng)過(guò)適當(dāng)加工的原料就稱為礦物原料。常用的礦物原料有粘土，長(zhǎng)石，石英，滑石，菱鎂礦，大理石，白云石等。一般的日用瓷，普通的電工瓷和部分的無(wú)線電陶瓷如{滑石瓷等}幾乎都是用礦物原料配成的，而壓電和強(qiáng)介電容器等無(wú)線電陶瓷則幾乎完全是由化工原料配制而成的。原料的純度，細(xì)度，{或稱粒度}和活性是衡量原料質(zhì)量的三個(gè)重要指標(biāo)。不論制造鈦酸鋇，鈦酸鉛，還是

4、制造二元系鋯鈦酸鉛以及三元系鈮鎂酸鉛等壓電陶瓷元件，二氧化鈦，二氧化鋯，氧化鉛或四氧化三鉛等，都是主要原材料，一般都在10~60%范圍內(nèi)。一. 原料的純度純度就是原料的純凈程度，相對(duì)來(lái)說(shuō)也是指原料的含雜程度。純度越高的原料所含的雜質(zhì)種類和數(shù)量越少?；ぴ习醇兌瓤煞譃楣I(yè)純和試劑純二大類。而試劑純的原料按純度高低又可分為四級(jí)，各種化工原料的主要特點(diǎn)如表1所示。工業(yè)純的原料生產(chǎn)量大，供應(yīng)穩(wěn)定，同批產(chǎn)品的一致性和活性都較好，價(jià)格也較便宜。因

5、此在能夠保證產(chǎn)品產(chǎn)量的前提下應(yīng)該盡可能選用工業(yè)純?cè)?，以降低成本；但工業(yè)純?cè)系募兌容^低；不同批號(hào)原料的純度波動(dòng)較大。試劑純?cè)系募兌入m較高但在價(jià)格方面卻要比工業(yè)純?cè)腺F幾倍，至幾十倍，純度高的原材料，固然含雜質(zhì)少，但燒結(jié)溫度較高，最佳燒結(jié)溫度也較窄，給燒結(jié)帶來(lái)一定的困難。工業(yè)純?cè)系募冊(cè)系募兌炔桓?，但是?duì)陶瓷產(chǎn)品性能危害的雜質(zhì)只有一，二種，因此如果在化工廠采取特殊措施除去這些雜質(zhì)，又添加某些能改善性能的微量添加劑，而不進(jìn)行全面的提純

6、，則不僅原料的成本將進(jìn)一步大幅度降低，也能更符合陶瓷生產(chǎn)的要求。純度較低的一些元材料，有的雜質(zhì)還可以在燒結(jié)過(guò)程中起到礦化劑或助溶劑的作用，反而使燒結(jié)溫度較低，最佳溫度范圍較寬，在一定程度上起到有利作用。這種特定的工業(yè)純?cè)嫌袝r(shí)也稱為“陶瓷純”或“電容器純”。原材料中含有各種各樣的雜質(zhì)，對(duì)壓電陶瓷元件的不同型號(hào)，配方的作用和影響也各不相同。所以應(yīng)區(qū)別對(duì)待，對(duì)具體情況需具體分析。對(duì)產(chǎn)品性能和工藝過(guò)程最敏感的原料應(yīng)選擇較高的純度；與原料的化學(xué)

7、性質(zhì)相近，能形成置換式固溶體的雜質(zhì)的最高含量可以略高；對(duì)那些能使晶格發(fā)生嚴(yán)重畸變的雜質(zhì)，或者能在晶體中產(chǎn)生自由電子和空穴的“施主雜質(zhì)”和“受主雜質(zhì)”以及變價(jià)過(guò)渡元素{SiO2}的最高含量必須嚴(yán)格控制，有時(shí)這類雜質(zhì)即使只有0.1wt%就會(huì)使物理性能嚴(yán)重惡化而完全失去使用階值。如 K+，Na+,等鹵族元素將使鐵電，壓電陶瓷材料的絕緣電阻顯著降低，使極化時(shí)容易擊穿，損耗增大，介電常數(shù)和機(jī)電耦合系數(shù) Kp 下降，其總含量控制在0.01%以下。一

8、般來(lái)說(shuō)，在制作 PZT 壓電陶瓷元件中，二氧化鈦，二氧化鋯和四氧化三鉛可采用工業(yè)級(jí)材料，它們的純度均能達(dá)到98%以上。實(shí)際生產(chǎn)中原材料的主成分含量都是采用化學(xué)分析方法測(cè)定，雜質(zhì)含量則常在已有經(jīng)驗(yàn)基礎(chǔ)上采用半定量的光譜分析，必要時(shí)也可進(jìn)行 x 射線衍射分析和電子探針微區(qū)分析。對(duì)不同原材料所含不同雜質(zhì)的允許量是不同的。這主要根據(jù)下述三個(gè)因素來(lái)決定：1 雜質(zhì)的類型 可分為有害與有利兩種。一類是有害雜質(zhì)，特別是異價(jià)離子，如硼 B，碳 C，磷 P

9、，硫 S，AL 等。由于它們對(duì)制品的絕緣，介電性能產(chǎn)生極大影響，有時(shí)既使配料中含量在0.1%以下，影響也很大。因此，要求象這類有混磨才能充分保證配料的均勻性和一致性，否則將使壓電陶瓷的工藝穩(wěn)定性和重復(fù)性變壞。三 穩(wěn)定性和活性所謂穩(wěn)定性和活性，是就制作壓電陶瓷元件時(shí)對(duì)原材料的要求而言。前者是指在末進(jìn)行固相反應(yīng)前原材料本身的穩(wěn)定性，后者是指在固相反應(yīng)過(guò)程中原材料本身的活性，是一個(gè)問(wèn)題的兩個(gè)方面。制作壓電陶瓷元件，一般都采用金屬氧化物作原料，

10、但堿金屬和堿土金屬氧化物的通性是容易和水作用，在空氣中不易貯存，所以鈉 Na,鈣 Ca，鋇 Ba，鍶 Sr，鎂 Mg 的氧化物就不宜采用。只能采用它們具有和水不起作用 ，且較穩(wěn)定，加熱又能分解出活潑性較大的氧化物的相應(yīng)碳酸鹽，如碳酸鈉 Na2CO3碳酸鎂 MgCO3，碳酸鍶 SrCO3，碳酸鈣CaCO3，碳酸鋇 BaCO3，碳酸鎂 MgCO3等。在合成過(guò)程中，各組成成份是否容易進(jìn)行固相反應(yīng)和反應(yīng)速度的快慢，在很大程度上決定于原材料本身

11、的活潑性?；顫娦院玫脑牧?，既能促使固相反應(yīng)完全，又有利于降低合成溫度，還能減少在合成過(guò)程中鉛的揮發(fā)。低溫易于分解的堿式碳酸鉛2PbCO3.Pb{OH}2和四氧化三鉛，它們?cè)诜纸鈺r(shí)由于脫氧而生成活潑性較大的氧化鉛PbO,對(duì)固相分應(yīng)有利。四氧化三鉛的活潑比氧化鉛的強(qiáng)得多，而堿式碳酸鉛的活潑性又比四氧化三鉛強(qiáng)得多。因?yàn)閴A式碳酸鉛在6200C 附近，即進(jìn)行固溶體的合成反應(yīng)，在8500C 反應(yīng)就基本結(jié)束；四氧化三鉛在5000C 以上脫氧，在64

12、00C 左右才開(kāi)始進(jìn)行固相反應(yīng)，到8500C 反應(yīng)基本結(jié)束；氧化鉛由于在低溫?zé)o分解反應(yīng)，當(dāng)然活潑性就差，使固溶體合成反應(yīng)的起始溫度提高到6000C 以上，而反應(yīng)結(jié)束溫度也移后到8000C。這就充分說(shuō)明，采用活潑性較好的原材料可以降低合成溫度。盡管堿式碳酸鉛活潑性較好，對(duì)于合成有利，但由于性質(zhì)不夠穩(wěn)定，易于分解，純度也較低，比重又較小，價(jià)格較高，對(duì)生產(chǎn)不利，一般很少采用。生產(chǎn)實(shí)踐證明；只要根據(jù)工業(yè)純四氧化三鉛，二氧化鋯和二氧化鈦的產(chǎn)地，純