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压电陶瓷材料

2021-09-15
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性能良好的压电陶瓷材料,取决于先进的压电陶瓷生产工艺。工艺条件和工艺参数的变化,对压电陶瓷的性能影响很大,压电陶瓷的生产过程主要包括以下几个步骤,按照先后次序分别为:配料,混合、粉碎、欲烧、成型、排塑、烧成、上电极、极化和测试等。在配料阶段,首先应确定配方,然后根据配方选择所需原料。选择原料应注意以下几点:合理选择原料的纯度,尽量选择颗粒较小的原料;适当注意原料的活性。原料确定以后,应对原料进行处理,如水洗,煅烧、粉碎和烘干等。在原料进行预烧之前,应进行混合和粉碎,这两个工序一般是通过滚动球磨机来完成的。预烧过程实际上也是一种固相反应。影响这一过程的因素有预烧温度与保温时间、原料的活性和颗粒大小等、压电陶瓷的成型方法有三种,即轧膜成型、干压成型和静水压成型,这三种不同的成型方法适用于生产不同用途的压电陶瓷材料、轧膜成型主要用于生产陶瓷滤波器和陶瓷电声器件等;干压成型适用于生产厚度较大的陶瓷器件,如水声换能器、陶瓷变压器和用于引燃、引爆用的圆柱形体等:静水压成型方法利用静止流体内各方向压强相等的原理,使样品均勾受压,从而实现样品的密度等性质一致,另外静水压成形方法可以压制特殊形状的样品,如球形等,除了静水压成型方法以外,其他两种成型方法都需要使用黏合剂,其目的是为了增加粉料的可塑性,为成型创造条件,排塑过程的目的在于将陶瓷成型过程中添加的黏合剂排除。烧成过程是保证压电陶瓷材料性能的关键,它将经预烧成型的粉末块材料在加热到足够高的温度以后,实现体积收缩、气孔减少、密度提高以及强度增加.为了保证得到晶粒大小适当、致密度高的样品,必须正确选择烧成温度、保温时间及烧成工艺上电极就是在陶瓷上设置一层金属薄膜.用于金属薄膜电极的材料很多,根据不同的需要有银、铜、金和镍等。在陶瓷上设置金属薄膜电极的方法有很多,如烧渗银层、真空蒸镀、化学沉银和化学沉铜等.未经极化的压电陶瓷由于其中的电轴取向杂乱排列,不具有压电效应。只有经过极化工序处理后的陶瓷,才能显示压电效应。所谓极化,就是在压电陶瓷上加一个强直流电场,使陶瓷中的电轴沿电场方向取向排列,为了使压电陶瓷得到完善的极化,充分发挥其压电性能,必须合理选择极化条件,即极化电场、极化温度和极化时间,极化电场必须大于样品的娇顽场,并且为矫顽场的2~3.由于不同材料的矫顽场不同,因此应根据材料的性质合理选择极化电场.在高温极化条件下,极化电场应达到20kV/em在极化电场和极化时间一定的条件下,极化温度越高,极化效果越好。极化方法主要有两种,即常规极化方法和高温极化方法,常规极化时的极化温度都是在陶瓷材料的居里温度以下,所需的极化电压较高,一般为 30kV/em以上,这对于尺寸较大样品是比较困难的,高温极化是将样品加热到材料的居里温度以上,首先加上较弱的直流电场,然后以一定的降温速度将炉温下降到居里温度以下,同时缓慢增加电场到一定值,并使炉温尽快冷却到100℃左右,使电场增加到300kV/cm左右,后在100℃以下撤出外加电场,取出极化样品,由于高温极化获得的样品性能较好,因此目前主要采用高温极化方法、极化以后的压电陶瓷会发生老化,影响压电陶瓷材料老化的因素很多,主要的有机械应力、外加电场以及压电材料所经受的温度.当这些参数增大时,压电材料的老化过程加速,另外,时间也是影响陶瓷材料老化过程的一个因素,然而与以上提到的因素相比,在一定的时间范围内,时间因素可以忽略不计。当压电材料的温度超过其居里温度时,极化消失,压电效应不再存在,这游公预脑压电陶瓷的测量是评价材料性能的关键步骤,测量参数包括频率、阻抗、机电耦合系数等,所用的实验仪器有阻抗电桥等,目前大部分都采用惠普公司的阻抗分析仪,如HP4192LHP4194HP4294A等。关于压电陶瓷生产及测试的详细内容,由于篇幅有限,可参阅有关的书籍和材料手册。


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