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將對壓電陶瓷的最終性能產生決定性的影響。壓電陶瓷與傳統(tǒng)的陶瓷最大的區(qū)別是它對原料的純度，細度，顆粒尺寸和分布，反應活性，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的高低，對工藝的順利進行有重要影響因此，對所用元材料的性能必須有所了解，選擇原材料必須符合經濟合理的原則。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。目前壓電陶瓷生產上所用的各種原材料，具有很強的地方性，原材料的質量往往隨產地和批號的不同而有很大的區(qū)別和差異。嚴重影響了生產質量的穩(wěn)定性。因此掌握原材料質量對產品性能的影響，進而在生產中預以有效的控制，對確保產品的質量有很大的現(xiàn)實意義?？偟膩碚f，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，而直接由礦山開采，只經過適當加工的原料就稱為礦物原料。常用的礦物原料有粘土，長石，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，而壓電和強介電容器等無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，細度，{或稱粒度}和活性是衡量原料質量的三個重要指標。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。一. 原料的純度純度就是原料的純凈程度，相對來說也是指原料的含雜程度。純度越高的原料所含的雜質種類和數量越少。化工原料按純度可分為工業(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，各種化工原料的主要特點如表1所示。工業(yè)純的原料生產量大，供應穩(wěn)定，同批產品的一致性和活性都較好，價格也較便宜。因

5、此在能夠保證產品產量的前提下應該盡可能選用工業(yè)純原料，以降低成本；但工業(yè)純原料的純度較低；不同批號原料的純度波動較大。試劑純原料的純度雖較高但在價格方面卻要比工業(yè)純原料貴幾倍，至幾十倍，純度高的原材料，固然含雜質少，但燒結溫度較高，最佳燒結溫度也較窄，給燒結帶來一定的困難。工業(yè)純原料的純原料的純度不高，但是對陶瓷產品性能危害的雜質只有一，二種，因此如果在化工廠采取特殊措施除去這些雜質，又添加某些能改善性能的微量添加劑，而不進行全面的提純

6、，則不僅原料的成本將進一步大幅度降低，也能更符合陶瓷生產的要求。純度較低的一些元材料，有的雜質還可以在燒結過程中起到礦化劑或助溶劑的作用，反而使燒結溫度較低，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)純原料有時也稱為“陶瓷純”或“電容器純”。原材料中含有各種各樣的雜質，對壓電陶瓷元件的不同型號，配方的作用和影響也各不相同。所以應區(qū)別對待，對具體情況需具體分析。對產品性能和工藝過程最敏感的原料應選擇較高的純度；與原料的化學

7、性質相近，能形成置換式固溶體的雜質的最高含量可以略高；對那些能使晶格發(fā)生嚴重畸變的雜質，或者能在晶體中產生自由電子和空穴的“施主雜質”和“受主雜質”以及變價過渡元素{SiO2}的最高含量必須嚴格控制，有時這類雜質即使只有0.1wt%就會使物理性能嚴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，使極化時容易擊穿，損耗增大，介電常數和機電耦合系數 Kp 下降，其總含量控制在0.01%以下。一

8、般來說，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)級材料，它們的純度均能達到98%以上。實際生產中原材料的主成分含量都是采用化學分析方法測定，雜質含量則常在已有經驗基礎上采用半定量的光譜分析，必要時也可進行 x 射線衍射分析和電子探針微區(qū)分析。對不同原材料所含不同雜質的允許量是不同的。這主要根據下述三個因素來決定：1 雜質的類型 可分為有害與有利兩種。一類是有害雜質，特別是異價離子，如硼 B，碳 C，磷 P

9、，硫 S，AL 等。由于它們對制品的絕緣，介電性能產生極大影響，有時既使配料中含量在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對原材料的要求而言。前者是指在末進行固相反應前原材料本身的穩(wěn)定性，后者是指在固相反應過程中原材料本身的活性，是一個問題的兩個方面。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。在合成過程中，各組成成份是否容易進行固相反應和反應速度的快慢，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?，既能促使固相反應完全，又有利于降低合成溫度，還能減少在合成過程中鉛的揮發(fā)。低溫易于分解的堿式碳酸鉛2PbCO3.Pb{OH}2和四氧化三鉛，它們在分解時由于脫氧而生成活潑性較大的氧化鉛PbO,對固相分應有利。四氧化三鉛的活潑比氧化鉛的強得多，而堿式碳酸鉛的活潑性又比四氧化三鉛強得多。因為堿式碳酸鉛在6200C 附近，即進行固溶體的合成反應，在8500C 反應就基本結束；四氧化三鉛在5000C 以上脫氧，在64

12、00C 左右才開始進行固相反應，到8500C 反應基本結束；氧化鉛由于在低溫無分解反應，當然活潑性就差，使固溶體合成反應的起始溫度提高到6000C 以上，而反應結束溫度也移后到8000C。這就充分說明，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，對于合成有利，但由于性質不夠穩(wěn)定，易于分解，純度也較低，比重又較小，價格較高，對生產不利，一般很少采用。生產實踐證明；只要根據工業(yè)純四氧化三鉛，二氧化鋯和二氧化鈦的產地，純