压电陶瓷的压电原理及制作工艺ppt课件.ppt

压电陶瓷压电原理、压电陶瓷压电原理、 应用与制作工艺应用与制作工艺内内 容容压电陶瓷的用途压电陶瓷的用途压电陶瓷的压电原理压电陶瓷的压电原理压电陶瓷的制作工艺压电陶瓷的制作工艺 配料配料 预烧预烧 混合和粉碎混合和粉碎 成型与排塑成型与排塑 烧结烧结 极化极化压电陶瓷的压电原理压电陶瓷的压电原理压电现象与压电效应压电现象与压电效应压电陶瓷因受力压电陶瓷因受力形变而产生电的形变而产生电的效应，称为效应，称为正压正压电效应电效应。压电陶瓷点火示意图压电陶瓷点火示意图 气体喷嘴气体喷嘴高高压压引引线线压压电电振振子子磷磷铜铜片片压压电电振振子子外外壳壳叩叩击击机机构构压电蜂压电蜂鸣器鸣器 压电陶瓷的压电原理压电陶瓷的压电原理压电现象与压电效应压电现象与压电效应 压电陶瓷因加电压而产生形变的效应，称压电陶瓷因加电压而产生形变的效应，称为为逆压电效应逆压电效应。 节点支承节点支承边缘支承边缘支承中心支承中心支承压电陶瓷内部结构压电陶瓷内部结构( (压电陶瓷是多晶体压电陶瓷是多晶体) ) 压电陶瓷的压电原理压电陶瓷的压电原理 压电陶瓷压电陶瓷由由小晶粒小晶粒无规无规则镶嵌成，如则镶嵌成，如图所示。图所示。 BSPTBSPT压电陶瓷断面压电陶瓷断面SEMSEM照片照片 压电陶瓷的压电原理压电陶瓷的压电原理压电陶瓷内部结构压电陶瓷内部结构( (压电陶瓷是多晶体压电陶瓷是多晶体) )陶瓷显微结构陶瓷显微结构 每个小晶粒微每个小晶粒微观上是由原子或观上是由原子或离子有规则排列离子有规则排列成成晶格晶格，可看为，可看为一粒小单晶。一粒小单晶。 原子在空间排列成晶格示意图原子在空间排列成晶格示意图压电陶瓷的压电原理压电陶瓷的压电原理压电陶瓷内部结构压电陶瓷内部结构( (压电陶瓷是多晶体压电陶瓷是多晶体) ) 每个小晶粒内还具有每个小晶粒内还具有铁电畴铁电畴。 PZTPZT陶瓷中电畴结构显微照片陶瓷中电畴结构显微照片压电陶瓷的压电原理压电陶瓷的压电原理压电陶瓷内部结构压电陶瓷内部结构( (压电陶瓷是多晶体压电陶瓷是多晶体) ) 整体看来，整体看来，晶粒与晶粒的晶晶粒与晶粒的晶格方向不一定相格方向不一定相同，排列是无规同，排列是无规则的。这样的结则的。这样的结构称其为构称其为多晶体多晶体。晶粒的晶格取向示意图晶粒的晶格取向示意图压电陶瓷的压电原理压电陶瓷的压电原理压电陶瓷内部结构压电陶瓷内部结构( (压电陶瓷是多晶体压电陶瓷是多晶体) )钙钛矿型的晶胞结构钙钛矿型的晶胞结构压电陶瓷的压电原理压电陶瓷的压电原理压电陶瓷内部结构压电陶瓷内部结构( (压电陶瓷的晶胞压电陶瓷的晶胞) ) 压电陶压电陶瓷的晶胞结瓷的晶胞结构随温度的构随温度的变化有所变变化有所变化。化。钛酸钡晶胞结构随温度的转变钛酸钡晶胞结构随温度的转变压电陶瓷的压电原理压电陶瓷的压电原理压电陶瓷内部结构（晶胞与自发极化）压电陶瓷内部结构（晶胞与自发极化） 这种电极化不是由外电场产生，而是由晶体这种电极化不是由外电场产生，而是由晶体自身产生的，所以成为自身产生的，所以成为自发极化自发极化，其相变温度，其相变温度TC称为称为居里温度居里温度。BTBT中自发极化产生示意图中自发极化产生示意图 压电陶瓷的压电原理压电陶瓷的压电原理压电陶瓷内部结构（晶胞与自发极化）压电陶瓷内部结构（晶胞与自发极化）c轴方向决定自发极化取向轴方向决定自发极化取向能量最低原则决定畴结构能量最低原则决定畴结构晶粒中形成晶粒中形成一定的小区一定的小区排列状态排列状态畴结构畴结构晶胞自发极化取向晶胞自发极化取向一致小区的存在一致小区的存在自发极化取向不一自发极化取向不一致小区的搭配致小区的搭配晶格匹配要求晶格匹配要求能量最低要求能量最低要求相结构决定畴壁类型相结构决定畴壁类型压电陶瓷的压电原理压电陶瓷的压电原理压电陶瓷内部结构（电畴形成）压电陶瓷内部结构（电畴形成）压电陶瓷的压电原理压电陶瓷的压电原理 因为晶粒为四方相时，自发极化取向与原因为晶粒为四方相时，自发极化取向与原反应立方相三个晶轴之一平行，所以，相邻两反应立方相三个晶轴之一平行，所以，相邻两个畴中自发极化方向只能成个畴中自发极化方向只能成90角或角或180角，角，相应电畴交界面就分别称为相应电畴交界面就分别称为90畴壁畴壁和和180畴壁畴壁。 四方相晶体四方相晶体90畴壁和畴壁和180畴畴示意图示意图 压电陶瓷内部结构（电畴形成）压电陶瓷内部结构（电畴形成）电畴在外电场作用下的运动电畴在外电场作用下的运动 a a）极化前）极化前 （b b）极化过程（）极化过程（c c）极化后）极化后 压电陶瓷在极化中电畴变化示意图压电陶瓷在极化中电畴变化示意图压电陶瓷的压电原理压电陶瓷的压电原理压电陶瓷内部结构（电畴的运动）压电陶瓷内部结构（电畴的运动） 在交变电场作用下，在交变电场作用下，因电畴与自发极化的运动，因电畴与自发极化的运动，压电陶瓷可观察到压电陶瓷可观察到电滞回电滞回线线，即具有，即具有铁电性铁电性 。 图中，图中，PS为自发极化为自发极化强度，强度，Pr为剩余极化强度，为剩余极化强度，EC为矫顽场强。压电陶瓷为矫顽场强。压电陶瓷极化工序中，一般选择电极化工序中，一般选择电场强度为场强度为2-3倍的倍的EC。压电陶瓷的压电原理压电陶瓷的压电原理压电陶瓷内部结构（电畴与电滞回线）压电陶瓷内部结构（电畴与电滞回线）第一次极化第一次极化以后的极化以后的极化压电效应的再理解压电效应的再理解瓷片内束缚电荷与电极上吸附自由电荷示意图瓷片内束缚电荷与电极上吸附自由电荷示意图 压电陶瓷的压电原理压电陶瓷的压电原理正压电效应示意图正压电效应示意图 瓷片压缩，极化瓷片压缩，极化强度变小，释放部分强度变小，释放部分吸附自由电荷，出现吸附自由电荷，出现放电现象。放电现象。F撤除，撤除， 瓷片回复原状，极化瓷片回复原状，极化强度变大，吸附一些强度变大，吸附一些自由电荷，出现充电自由电荷，出现充电现象。这种由机械能现象。这种由机械能转变为电能的现象，转变为电能的现象，称为称为正压电效应正压电效应。压电陶瓷的压电原理压电陶瓷的压电原理压电效应的再理解压电效应的再理解逆压电效应示意图逆压电效应示意图 在瓷片上施加在瓷片上施加与极化方向相同电与极化方向相同电场。极化强度增大，场。极化强度增大，瓷片发生伸长形变。瓷片发生伸长形变。反之则发生缩短形反之则发生缩短形变。这种由电能转变。这种由电能转变为机械能的现象，变为机械能的现象，称为称为逆压电效应逆压电效应。压电陶瓷的压电原理压电陶瓷的压电原理压电效应的再理解压电效应的再理解 作为介电材料，可用介电系数作为介电材料，可用介电系数，介电损耗，介电损耗tgtg，绝缘电阻率绝缘电阻率和抗电强度和抗电强度E Eb b等表征。等表征。压电陶瓷的主要参数压电陶瓷的主要参数 作为压电材料，还必须补充一些参数：作为压电材料，还必须补充一些参数： 压电系数压电系数d d、g g 机电耦合系数机电耦合系数k k 机械品质因素机械品质因素Q Qm m 频率系数频率系数N N压电系数压电系数d ：单位机械应力：单位机械应力T T所产生的电位移所产生的电位移D D 压电陶瓷的主要参数压电陶瓷的主要参数常用的为横向压电系数常用的为横向压电系数d31和纵向压电系数和纵向压电系数d33（脚（脚标第一位数字表示压电陶瓷的极化方向；第二位标第一位数字表示压电陶瓷的极化方向；第二位数字表示机械振动方向）。数字表示机械振动方向）。 d=D/T（C/N）VxxVxxd/)/()/( （m/V）或：单位电场强度或：单位电场强度V/xV/x所产生的应变所产生的应变x/x x/x 压电电压系数压电电压系数g g：单位应力：单位应力T T所产生的电场强度所产生的电场强度E E；或单位电荷所产生的形变。或单位电荷所产生的形变。 （Vm/N） TEg/压电陶瓷的主要参数压电陶瓷的主要参数d d和和g g在不同的角度反映了材料的压电性能，在不同的角度反映了材料的压电性能，d d用用得较为普遍，得较为普遍，g g常用于接收型换能器、拾音器，常用于接收型换能器、拾音器，高压发生器等场合。高压发生器等场合。 机电耦合系数机电耦合系数k 或或 输输入入的的电电能能电电能能转转变变所所得得的的机机械械能能2k输输入入的的机机械械能能机机械械能能转转变变所所得得电电能能2k压电陶瓷的主要参数压电陶瓷的主要参数 kp是压电材料进行机械能是压电材料进行机械能-电能转换的能力反映。电能转换的能力反映。它与材料的压电系数、它与材料的压电系数、和弹性常数等有关，是一个和弹性常数等有关，是一个比较综合的参数。比较综合的参数。 机电耦合系数反映了机械能和电能之间的转换机电耦合系数反映了机械能和电能之间的转换程度，由于转换不可能完全，总有一部分能量以热程度，由于转换不可能完全，总有一部分能量以热能、声波等形式损失或向周围介质传播，因而能、声波等形式损失或向周围介质传播，因而k总是总是小于小于1的。的。 不同材料的不同材料的k k值不同；同种材料由于振动方式值不同；同种材料由于振动方式不同，不同，k k值也不同。值也不同。 常用的有横向机电耦合系数常用的有横向机电耦合系数k k3131、纵向机电耦合、纵向机电耦合系数系数k k33 33 、以及沿圆片的半径方向振动的平面机、以及沿圆片的半径方向振动的平面机电耦合系数电耦合系数k kp p（或称径向机电耦合系数（或称径向机电耦合系数k kr r）。）。压电陶瓷的主要参数压电陶瓷的主要参数Z振动方向振动方向Y条状振子条状振子K31（横向耦机电合系数）（横向耦机电合系数）X极化方向极化方向Z极化方向极化方向振动方向振动方向柱状振子柱状振子K33（纵向机电耦合系数）（纵向机电耦合系数）Z极化方向极化方向圆片振子圆片振子Kp（平面机电耦合系数）（平面机电耦合系数）Kr（径向机电耦合系数）（径向机电耦合系数）压电陶瓷的主要参数压电陶瓷的主要参数 机械品质因素机械品质因素Qm耗耗的的机机械械能能每每一一谐谐振振周周期期振振子子所所消消能能谐谐振振时时振振子子储储存存的的机机械械2mQ压电陶瓷的主要参数压电陶瓷的主要参数 逆压电效应使压电材料产生形变，形变又会逆压电效应使压电材料产生形变，形变又会产生电信号，如果压电元件上加上交流信号，频产生电信号，如果压电元件上加上交流信号，频率与元件（振子）的固有振动频率率与元件（振子）的固有振动频率fT相等时，便相等时，便产生谐振。振动时晶格形变产生内摩擦，而损耗产生谐振。振动时晶格形变产生内摩擦，而损耗一部分能量（转换成热能）。为了反映谐振时的一部分能量（转换成热能）。为了反映谐振时的这种损耗程度而引入这种损耗程度而引入Qm这个参数，这个参数，Qm越高，能量越高，能量的损耗就越小。的损耗就越小。压电陶瓷的主要参数压电陶瓷的主要参数 在滤波器、谐振换能器、压电音叉等谐振子中，在滤波器、谐振换能器、压电音叉等谐振子中，要求高的要求高的Qm值值。 频率系数频率系数N ：压电振子的谐振频率压电振子的谐振频率f0与振动方向与振动方向上线度的乘积。上线度的乘积。LfN0只与材料性质相关，而与尺寸因素无关。只与材料性质相关，而与尺寸因素无关。压电陶瓷的主要参数压电陶瓷的主要参数压电陶瓷的用途压电陶瓷的用途应用领域应用领域举举 例例电源电源压电变压器压电变压器雷达，电视显像管，阴极射线管，盖克技术管，雷达，电视显像管，阴极射线管，盖克技术管，激光管和电子复制机等高压电源和压电点火装置激光管和电子复制机等高压电源和压电点火装置信号源信号源标准信号源标准信号源振荡器，压电音叉，压电音片等用作精密仪器中振荡器，压电音叉，压电音片等用作精密仪器中的时间和频率标准信号源的时间和频率标准信号源信号转换信号转换电声换能器电声换能器拾声器，送话器，受话器，扬声器，蜂鸣器等声拾声器，送话器，受话器，扬声器，蜂鸣器等声频范围的电声器件频范围的电声器件发射发射 与接收与接收超声换能器超声换能器超声切割，焊接，清洗，搅拌，乳化及超声显示超声切割，焊接，清洗，搅拌，乳化及超声显示等频率高于等频率高于20KHz的超声器件，压电马达，探测的超声器件，压电马达，探测地质构造，油井固实程度，无损探伤和测厚，催地质构造，油井固实程度，无损探伤和测厚，催化反应，超声衍射，疾病诊断等各种工业用的超化反应，超声衍射，疾病诊断等各种工业用的超声器件声器件水声换能器水声换能器水下导航定位，通讯和探测的声纳，超声探测，水下导航定位，通讯和探测的声纳，超声探测，鱼群探测和传声器等鱼群探测和传声器等信信号号 处处理理滤波器滤波器通讯广播中所用各种分立滤波器和复合滤波器，如彩电中频滤通讯广播中所用各种分立滤波器和复合滤波器，如彩电中频滤波器；雷达，自控和计算系统所用带通滤波器，脉冲滤波器等波器；雷达，自控和计算系统所用带通滤波器，脉冲滤波器等放大器放大器声表面信号放大器以及振荡器，混频器，衰减器，隔离器等声表面信号放大器以及振荡器，混频器，衰减器，隔离器等表面波导表面波导声表面波传输线声表面波传输线传传感感与与计计测测加速度计加速度计压力计压力计工业和航空上测定振动体或飞行器工作状态加速度计，自动控工业和航空上测定振动体或飞行器工作状态加速度计，自动控制开关，污染检测用振动计以及流速计，流量计和液面计等制开关，污染检测用振动计以及流速计，流量计和液面计等角速度计角速度计测量物体角速度及控制飞行器航向的压电陀螺测量物体角速度及控制飞行器航向的压电陀螺红外探测计红外探测计监视领空，检测大气污染浓度，非接触式测温以及热成像，热监视领空，检测大气污染浓度，非接触式测温以及热成像，热电探测、跟踪器等电探测、跟踪器等位移与致动器位移与致动器激光稳频补偿元件，显微加工设备及光角度，光程长的控制器激光稳频补偿元件，显微加工设备及光角度，光程长的控制器存存贮贮调制调制电光和声光调制的光阀，光闸，光变频器和光偏转器，声开关电光和声光调制的光阀，光闸，光变频器和光偏转器，声开关存贮存贮光信息存贮器，光记忆器光信息存贮器，光记忆器显示显示铁电显示器，声光显示器等铁电显示器，声光显示器等其它其它非线性元件非线性元件压电继电器等压电继电器等压电陶瓷的用途压电陶瓷的用途压电陶瓷的用途压电陶瓷的用途压电陶瓷泵压电陶瓷泵阀阀出口出口压电陶瓷压电陶瓷换能器换能器进口进口压电陶瓷的用途压电陶瓷的用途压电陶瓷喷墨打印压电陶瓷喷墨打印金属片金属片圆锥形容器圆锥形容器内液层内液层外墨水池外墨水池喷嘴喷嘴金属膜金属膜墨水墨水压电陶瓷压电陶瓷换能器换能器输入信号输入信号压电陶瓷的用途压电陶瓷的用途254311.焊接程序控制器；焊接程序控制器；2.超声发生器；超声发生器；3.换能器声学系统；换能器声学系统；4.焊件；焊件；5.工作台工作台压电陶瓷超声波焊接压电陶瓷超声波焊接压电陶瓷的用途压电陶瓷的用途压电陶瓷超声波焊接压电陶瓷超声波焊接压电陶瓷的用途压电陶瓷的用途压电陶瓷加湿器压电陶瓷加湿器雾气出口雾气出口水箱水箱压电振子压电振子水水雾雾风机风机压电陶瓷的用途压电陶瓷的用途压电陶瓷加湿器压电陶瓷加湿器压电陶瓷的用途压电陶瓷的用途压电陶瓷变压器（升压型）压电陶瓷变压器（升压型）输入端输入端极化方向极化方向极化方向极化方向驱动部分驱动部分发电部分发电部分振动方向振动方向输出端输出端twl/2tw压电陶瓷的用途压电陶瓷的用途压电陶瓷变压器（降压型）压电陶瓷变压器（降压型）压电陶瓷的用途压电陶瓷的用途 压电陶瓷压电陶瓷复印机电源复印机电源压电陶瓷的用途压电陶瓷的用途笔记本电脑背光电源笔记本电脑背光电源压电陶瓷的用途压电陶瓷的用途压电陶瓷变压器压电陶瓷变压器便携式激光电源便携式激光电源压电陶瓷的用途压电陶瓷的用途激光血管内激光血管内照射治疗仪照射治疗仪压电陶瓷的用途压电陶瓷的用途压电陶瓷极化台压电陶瓷极化台压电陶瓷的用途压电陶瓷的用途压电变压器电警棍压电变压器电警棍压电陶瓷的用途压电陶瓷的用途压电陶瓷变压器雷压电陶瓷变压器雷达显示器高压电源达显示器高压电源压电陶瓷的用途压电陶瓷的用途压电陶瓷变压器（升压型）压电陶瓷变压器（升压型）压电陶瓷的用途压电陶瓷的用途压电陶瓷变压器（降压型）压电陶瓷变压器（降压型）压电陶瓷的用途压电陶瓷的用途压电陶瓷水声设备压电陶瓷水声设备（1 1）水声通讯）水声通讯仪；（仪；（2 2）主动）主动式声纳（回声式声纳（回声定位仪）；（定位仪）；（3 3）被动式声纳被动式声纳压电陶瓷的用途压电陶瓷的用途压电陶瓷超声马达（驻波型）压电陶瓷超声马达（驻波型）123451.1.压电元件；压电元件；2.2.弹性衬垫；弹性衬垫；3.3.弹簧；弹簧；4.4.转子；转子；5.5.磨衬垫磨衬垫压电陶瓷的用途压电陶瓷的用途压电陶瓷超声马达（行波型）压电陶瓷超声马达（行波型）压电陶瓷的用途压电陶瓷的用途压电陶瓷超声马达压电陶瓷超声马达压电陶瓷超声马达（行波型）压电陶瓷超声马达（行波型）环形压电马达工作原理环形压电马达工作原理压电陶瓷的用途压电陶瓷的用途压电陶瓷超声马达压电陶瓷超声马达压电陶瓷的用途压电陶瓷的用途压电陶瓷超声马达压电陶瓷超声马达压电陶瓷的用途压电陶瓷的用途压电陶瓷超声马达压电陶瓷超声马达基于压电驱动器杆状微马达（摄像用）基于压电驱动器杆状微马达（摄像用）压电陶瓷的用途压电陶瓷的用途压电陶瓷超声马达压电陶瓷超声马达压电陶瓷的用途压电陶瓷的用途超声马达在国外已应用的领域超声马达在国外已应用的领域智能飞机磁悬浮列车汽车手机人造卫星细胞穿刺智能药片（压电泵）集成式 USM彩色复印机火星探测器半导体制造业照相机手表昆虫机器人变形机翼（应用压电作动器）天文望远镜空中机器人太空机器手压电陶瓷的用途压电陶瓷的用途南京航空航天大学研制的部分超声马达及其应用南京航空航天大学研制的部分超声马达及其应用无磁性USM双模态步进USM三自由度USM带编码器USM大推力直线USM便携式汽油发动机云台控制系统方板型直线USM移动机器人核磁共振注射器关节机器手X-Y运动台（直线USM）行波型杆式USM模态转换型USM用于二元机翼模型试验非接触性USMX-Y运动台（旋转USM）压电陶瓷的用途压电陶瓷的用途压电陶瓷驱动器压电陶瓷驱动器压电陶瓷的用途压电陶瓷的用途压电陶瓷驱动器压电陶瓷驱动器压电陶瓷的用途压电陶瓷的用途压电陶瓷驱动器压电陶瓷驱动器基于压电驱动器的全方位微移动平台基于压电驱动器的全方位微移动平台压电陶瓷的用途压电陶瓷的用途压电陶瓷超声清压电陶瓷超声清洗洗压电陶瓷的用途压电陶瓷的用途压电陶瓷换能器压电陶瓷换能器压电陶瓷的用途压电陶瓷的用途压电陶瓷电声元器件压电陶瓷电声元器件蜂鸣器蜂鸣器扬声器扬声器压电陶瓷的用途压电陶瓷的用途压电陶瓷电声元器件压电陶瓷电声元器件扬声器扬声器压电陶瓷的用途压电陶瓷的用途压电陶瓷电声元器件压电陶瓷电声元器件压电陶瓷的用途压电陶瓷的用途压电陶瓷探伤仪压电陶瓷探伤仪压电陶瓷的用途压电陶瓷的用途压电陶瓷测厚仪压电陶瓷测厚仪压电陶瓷的用途压电陶瓷的用途压电陶瓷点火元器件压电陶瓷点火元器件压电陶瓷的用途压电陶瓷的用途压电陶瓷发电（框图）压电陶瓷发电（框图）压电陶瓷的用途压电陶瓷的用途压电陶瓷发电（鞋）压电陶瓷发电（鞋）压电陶瓷的用途压电陶瓷的用途基于压电陶瓷光纤的自供电系统及应用基于压电陶瓷光纤的自供电系统及应用 压电光纤用作能量采集器压电光纤用作能量采集器 压电陶瓷的制作工艺压电陶瓷的制作工艺压电陶瓷的制作过程主要步骤压电陶瓷的制作过程主要步骤 极极化化测测试试上上电电极极机机加加工工配配料料混混合合预预烧烧粉粉碎碎成成型型排排胶胶烧烧成成配料（原料的选择和处理）配料（原料的选择和处理） 压电陶瓷的制作工艺压电陶瓷的制作工艺 原料原料是制备压电陶瓷的是制备压电陶瓷的基础基础。选择原料一。选择原料一般应注意其化学组成和物理状态。般应注意其化学组成和物理状态。 (1) 纯度纯度 对纯度的要求应适度。对纯度的要求应适度。高高纯原料，价格昂纯原料，价格昂贵，贵，烧结温度高，温区窄烧结温度高，温区窄。纯度。纯度稍低稍低的原料，的原料，有的杂质可起矿化和助熔的作用，反而使有的杂质可起矿化和助熔的作用，反而使烧结烧结温度较低，且温区较宽温度较低，且温区较宽。过低纯度原料杂质多，。过低纯度原料杂质多，不宜采用。不宜采用。 (2) 杂质含量杂质含量 压电陶瓷的制作工艺压电陶瓷的制作工艺配料（原料的选择和处理）配料（原料的选择和处理） 杂质允许量主要根据以下三点因素决定：杂质允许量主要根据以下三点因素决定： 1) 杂质类型杂质类型 有害杂质有害杂质 对材料绝缘、介电对材料绝缘、介电性等影响极大的杂质，特别是异价离子。如性等影响极大的杂质，特别是异价离子。如B、C、P、S、Al等，愈少愈好。等，愈少愈好。 有利杂质有利杂质 与材料与材料A、B位离子电价相同、半径接近，位离子电价相同、半径接近，能形成置换固溶的杂质。如能形成置换固溶的杂质。如Ca2+、Sr2+、Ba2+、Mg2+、Sn4+、Hf4+等离子，一般在等离子，一般在0.20.5%范范围内，坏的影响不大，甚至有利围内，坏的影响不大，甚至有利。 压电陶瓷的制作工艺压电陶瓷的制作工艺 2) 材料类型材料类型配料（原料的选择和处理）配料（原料的选择和处理） 接收型压电陶瓷材料接收型压电陶瓷材料 已引入了降低电导率和老化率的高价施主杂质，已引入了降低电导率和老化率的高价施主杂质，原料中在原料中在0.5%以内以内的杂质不足以显著影响施主杂质的杂质不足以显著影响施主杂质的既定作用。的既定作用。 发射型压电陶瓷材料发射型压电陶瓷材料 要求低机电损耗，因而配料中的杂质总量，愈少要求低机电损耗，因而配料中的杂质总量，愈少愈好，一般希望在愈好，一般希望在0.05%以下以下。对于为了提高其它。对于为了提高其它性能参数的有意添加物，另当别论。性能参数的有意添加物，另当别论。3)原料在配方中的比例原料在配方中的比例配料（原料的选择和处理）配料（原料的选择和处理） 压电陶瓷的制作工艺压电陶瓷的制作工艺在在PZT配方中，比例大的原料配方中，比例大的原料Pb3O4、ZrO2、TiO2分别占重量比的分别占重量比的60%、20%和和18%左右，若杂质多，引入杂质总量也多。左右，若杂质多，引入杂质总量也多。因此，要求杂质总含量均不超过因此，要求杂质总含量均不超过2%，即要，即要求纯度均在求纯度均在98%以上。以上。 配方中比例小的其它原料，杂质总含量配方中比例小的其它原料，杂质总含量可稍高一些，一般均在可稍高一些，一般均在3%以下，即要求纯以下，即要求纯度均在度均在97%以上，特殊要求例外。以上，特殊要求例外。 压电陶瓷的制作工艺压电陶瓷的制作工艺(3) 稳定性与活泼性稳定性与活泼性配料（原料的选择和处理）配料（原料的选择和处理） 稳定性稳定性是指未进行固相反应前原料本身的是指未进行固相反应前原料本身的稳定性。如碱金属和碱土金属氧化物易与水作用，稳定性。如碱金属和碱土金属氧化物易与水作用，在空气中不易保存，不稳定。如在空气中不易保存，不稳定。如Na、Ca、Ba、Sr、Mg的氧化物，不宜采用。宜采用与水不起的氧化物，不宜采用。宜采用与水不起作用、稳定的、加热又能分解出活泼性大的新鲜作用、稳定的、加热又能分解出活泼性大的新鲜氧化物的相应的碳酸盐。如氧化物的相应的碳酸盐。如Na2CO3、CaCO3、SrCO3、BaCO3、MgCO3等。等。 压电陶瓷的制作工艺压电陶瓷的制作工艺 活泼性活泼性是指在固相反应中原料本身的活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，减少铅挥发如全，利于降低合成温度，减少铅挥发如Pb3O4原料比原料比PbO原料活泼性好。因其在原料活泼性好。因其在加热中可分解脱氧成新鲜活泼性大的加热中可分解脱氧成新鲜活泼性大的PbO。配料（原料的选择和处理）配料（原料的选择和处理）(3) (3) 稳定性与活泼性稳定性与活泼性 压电陶瓷的制作工艺压电陶瓷的制作工艺(4) 颗粒度颗粒度配料（原料的选择和处理）配料（原料的选择和处理） 原料颗粒度要求原料颗粒度要求小于小于0.2m，微量添加物应更，微量添加物应更细。这样，可增加混料接触面积，利于互扩散反细。这样，可增加混料接触面积，利于互扩散反应，使组成均匀。还可减小陶瓷内应力，增加机应，使组成均匀。还可减小陶瓷内应力，增加机械强度等。械强度等。 原料处理方面有以下常用方法：原料处理方面有以下常用方法： 采用的原料，若颗粒较粗，如采用的原料，若颗粒较粗，如MnO2、出厂、出厂未细磨的未细磨的ZrO2等等，必须细磨。可采取振磨、球磨、，必须细磨。可采取振磨、球磨、行星磨等，小量原料也可用研钵研细。行星磨等，小量原料也可用研钵研细。配料（原料的选择和处理）配料（原料的选择和处理） 压电陶瓷的制作工艺压电陶瓷的制作工艺烘干烘干 为了不影响配料的准确性，含水原料必须为了不影响配料的准确性，含水原料必须进行烘干脱水处理。一般在电热式干燥箱中干进行烘干脱水处理。一般在电热式干燥箱中干燥。温度燥。温度110 120，时间不少于，时间不少于4小时，直至小时，直至无水分为止。无水分为止。化学分析化学分析 在大批量生产压电陶瓷时，每批购进的原在大批量生产压电陶瓷时，每批购进的原料，因制造或分装的厂商不同、批次的不同，料，因制造或分装的厂商不同、批次的不同，其质量可能不同。因此，应抽样化验其纯度或其质量可能不同。因此，应抽样化验其纯度或杂质，检测其颗粒度，以保证压电陶瓷的性能。杂质，检测其颗粒度，以保证压电陶瓷的性能。(1)由原料的重量比来计算配方的方法写出配由原料的重量比来计算配方的方法写出配方的化学分子式；方的化学分子式；写出原料分子式、纯度，查写出原料分子式、纯度，查出分子量；用以下公式计算各原料所需用量出分子量；用以下公式计算各原料所需用量11iiiniiiix MwWPx M (i=1，2，n) (1) 压电陶瓷的制作工艺压电陶瓷的制作工艺配料（配方计算）配料（配方计算）式中式中xi为原料的为原料的mol数，数，Mi为为mol质量，质量，xiMi为质量，为质量，Pi为纯度；为纯度； 为配方量；为配方量；W为总配料用量。为总配料用量。1niiix M(2)由原料由原料mol数比例来计算配方的方法数比例来计算配方的方法:写出写出配方的化学分子式配方的化学分子式;写出所用原料的分子式、写出所用原料的分子式、纯度，并查出其分子量纯度，并查出其分子量(mol质量质量);用以下公式用以下公式计算各原料所需用量计算各原料所需用量: 1iiiiwx MXP (i=1，2，n) (2) 式中式中X为配料总为配料总mol数，其它同上。该方法计算比数，其它同上。该方法计算比较简单，特别是配方中以较简单，特别是配方中以mol百分比给出添加物百分比给出添加物时，常用此法。时，常用此法。 压电陶瓷的制作工艺压电陶瓷的制作工艺配料（配方计算）配料（配方计算） 压电陶瓷的制作工艺压电陶瓷的制作工艺称料要求：称料要求： 称料与投料按称料与投料按大料大料 小料小料 大料顺序大料顺序，以，以保证小料在混合中的均匀性。严防各原料算错、称保证小料在混合中的均匀性。严防各原料算错、称错、投错，要仔细检查，严格核对错、投错，要仔细检查，严格核对 配料（称料）配料（称料） 称料天平须有一定精度。批量生产中称料天平须有一定精度。批量生产中,大料大料用用0.1克精度天平，小料用克精度天平，小料用0.01克精度天平。克精度天平。 称料要误差小，速度快，以减少原料吸收称料要误差小，速度快，以减少原料吸收空气中水分而造成的误差。空气中水分而造成的误差。混合和粉碎混合和粉碎 混合混合是将称量好的原料混合均匀、相互接触，是将称量好的原料混合均匀、相互接触，以利于预烧时充分的化学反应。以利于预烧时充分的化学反应。 压电陶瓷的制作工艺压电陶瓷的制作工艺 粉碎粉碎是将预烧好料块细化，达到一定的平均粒是将预烧好料块细化，达到一定的平均粒度和粒度分布，为成型和烧成创造有利条件。度和粒度分布，为成型和烧成创造有利条件。 (1) (1)工艺方法工艺方法 使用球磨机使用球磨机( (滚筒式、行星式、搅拌式和振动滚筒式、行星式、搅拌式和振动式等球磨机式等球磨机) )，加磨球，加磨球( (钢球、玛瑙球、锆球等钢球、玛瑙球、锆球等) )与介质与介质( (水、酒精等水、酒精等) )，对原料进行机械混合或粉，对原料进行机械混合或粉碎。碎。(2) 工艺原理工艺原理 磨球靠电动机产生离心力、摩擦力和地心引力磨球靠电动机产生离心力、摩擦力和地心引力的共同作用，形成碰撞、循环翻动和自转等运动，的共同作用，形成碰撞、循环翻动和自转等运动，使介于其中的粉料受到冲击和摩擦研磨，从而达到使介于其中的粉料受到冲击和摩擦研磨，从而达到混合与粉碎细化。混合与粉碎细化。混合和粉碎混合和粉碎 压电陶瓷的制作工艺压电陶瓷的制作工艺(3) 球磨工艺球磨工艺 具体球磨工艺视不同球磨机而定，其合理的工具体球磨工艺视不同球磨机而定，其合理的工艺参数要通过实验结果艺参数要通过实验结果(球磨后混合均匀程度、粉球磨后混合均匀程度、粉料粒度大小与分布、混杂量、效率和成本等料粒度大小与分布、混杂量、效率和成本等)优选，优选，也可借鉴相关工艺参数。也可借鉴相关工艺参数。(4) (4) 球磨质量的主要影响因素球磨质量的主要影响因素 ： 球磨机转速球磨机转速（视球磨机类型、球磨罐大小等确定）（视球磨机类型、球磨罐大小等确定）； 球球磨罐磨罐( (直径、内衬材料等直径、内衬材料等) )； 磨球磨球( (比重、硬度、比重、硬度、形状、磨损率形状、磨损率 ； 粉料填充量粉料填充量(60%(60%左左右右) )；粉料、球与磨介的比例（视粉料的吸水；粉料、球与磨介的比例（视粉料的吸水性、球比重确定）；性、球比重确定）；磨介的作用磨介的作用( (粘附、劈裂、粘附、劈裂、流动、分散等流动、分散等) )；球磨时间（视球磨机类型、；球磨时间（视球磨机类型、进料粒度而定）；进料粒度而定）；球磨方式球磨方式( (干法、湿法干法、湿法) )211GGfG t 压电陶瓷的制作工艺压电陶瓷的制作工艺混合和粉碎混合和粉碎 压电陶瓷的制作工艺压电陶瓷的制作工艺预烧预烧 预烧预烧(合成合成)是通过原料中原子或离子之间在加热作是通过原料中原子或离子之间在加热作用下的扩散来完成固相化学反应，生成瓷料的过程。用下的扩散来完成固相化学反应，生成瓷料的过程。(1) 预烧预烧的目的的目的 使各原料的固相化学反应充分均匀，生成组成固使各原料的固相化学反应充分均匀，生成组成固定的固溶体，形成主晶相。定的固溶体，形成主晶相。 排除原料中的二氧化碳和水分等，减小坯体的烧排除原料中的二氧化碳和水分等，减小坯体的烧成收缩、变形，以便于控制产品外形尺寸。成收缩、变形，以便于控制产品外形尺寸。(2) PZT压电瓷料的合成过程压电瓷料的合成过程 分析合成过程是理解与制定预烧工艺的基础。分析合成过程是理解与制定预烧工艺的基础。 压电陶瓷的制作工艺压电陶瓷的制作工艺预烧预烧对于对于PZT瓷料的合瓷料的合成过程，人们通过成过程，人们通过差热分析、化学分差热分析、化学分析、析、X射线分析等射线分析等手段获得的结果见手段获得的结果见图所示。图所示。PZT形成的差热曲线形成的差热曲线 压电陶瓷的制作工艺压电陶瓷的制作工艺 PZT合成时各相的变化合成时各相的变化 预烧预烧 压电陶瓷的制作工艺压电陶瓷的制作工艺 由图中以由图中以Pb3O4为原料的差热曲线可知：为原料的差热曲线可知： 630的吸热效应是因的吸热效应是因Pb3O4分解为分解为PbO引起，并开始形成引起，并开始形成PbTiO3，到，到650形成形成PbTiO3的反应最为显著。的反应最为显著。预烧预烧 790是是PbOZrO2PbZrO3三元共融液三元共融液形成温度，但因为这时大量存在的形成温度，但因为这时大量存在的PT 马上与马上与PZ生成生成PZT固溶体，所以这也是固溶体，所以这也是PZT开始形成开始形成的温度，该反应到的温度，该反应到850基本完成。基本完成。 压电陶瓷的制作工艺压电陶瓷的制作工艺预烧预烧 压电陶瓷的制作工艺压电陶瓷的制作工艺23PbOTiOPbTiO3213()xxPbTiOPbOZrOPb ZrTiO,13331()()xxxxPb ZrTiOPbTiOPb ZrTiO()xx反应反应B B：625625800 800 反应反应C C：800800以上以上 反应反应A A：350680350680预烧预烧预烧过程中相是随预烧过程中相是随温度变化的。由图温度变化的。由图可以把反应按温度可以把反应按温度范围分成三段：范围分成三段： 压电陶瓷的制作工艺压电陶瓷的制作工艺(3) 预烧工艺预烧工艺预烧预烧1) 装钵装钵 将粉料装钵，并压紧、扎孔、加盖入将粉料装钵，并压紧、扎孔、加盖入 炉。炉。 500前炉门微开，之后关炉门。前炉门微开，之后关炉门。 2) 加热条件加热条件(以典型以典型PZT为例为例) 升温速率升温速率：视炉内装料多少而定。：视炉内装料多少而定。 最高温度最高温度：850左右左右(视配方而变化视配方而变化) 保温时间保温时间：650左右保温左右保温1-2小时，以生成小时，以生成PT。 850左右保温左右保温2小时，以生成小时，以生成PZT。 降温速率降温速率：关电随炉冷却，至：关电随炉冷却，至200以下出炉。以下出炉。 炉内气氛炉内气氛：以中性或氧化气氛为好；还原气氛导致：以中性或氧化气氛为好；还原气氛导致 料粉还原发黑。硅碳棒炉好于电阻丝炉。料粉还原发黑。硅碳棒炉好于电阻丝炉。 压电陶瓷的制作工艺压电陶瓷的制作工艺(4) 预烧瓷料质量要求预烧瓷料质量要求 外观外观：颜色正常、均匀一致；有一定膨胀或收：颜色正常、均匀一致；有一定膨胀或收缩缩 (视具体配方视具体配方)；硬度适中。；硬度适中。 化学分析化学分析：游离锆、钛、铅少，小于：游离锆、钛、铅少，小于0.5% 相分析相分析：为钙钛矿相，无杂相。：为钙钛矿相，无杂相。2012Qk TrtDe预烧预烧(5) 影响预烧的因素影响预烧的因素 原料活性及颗粒度原料活性及颗粒度 其制约关系有其制约关系有 压电陶瓷的制作工艺压电陶瓷的制作工艺1Q上式中，上式中，t为固相反应完全所需时间；为固相反应完全所需时间；r为颗粒直为颗粒直径；径；D0为扩散频率因子；为扩散频率因子；Q为激活能；为激活能；T为温度；为温度；k为常数。为常数。 这说明，固相反应速度与原料扩散状况这说明，固相反应速度与原料扩散状况(D0)、活性（活性（ ）、温度成正比，而与原料颗粒平均）、温度成正比，而与原料颗粒平均直径成反比。直径成反比。预烧预烧2012QkTrtDe 合成温度合成温度(以上已说明以上已说明)。 升温速率和保温时间。升温速率和保温时间。 坯料压紧力。坯料压紧力。 炉内温度均匀性、气氛等。炉内温度均匀性、气氛等。 压电陶瓷的制作工艺压电陶瓷的制作工艺预烧预烧成型成型 压电陶瓷的制作工艺压电陶瓷的制作工艺 成型成型就是将瓷料压制成所需要的形状规格的坯就是将瓷料压制成所需要的形状规格的坯体，并为烧结创造条件。体，并为烧结创造条件。 坯体成型的方式和方法很多，如坯体成型的方式和方法很多，如压力成型法压力成型法、可塑成型法可塑成型法和和浆料成型法浆料成型法等，每大类成型法中又等，每大类成型法中又可分为若干具体成型方法。可以根据制品的形状、可分为若干具体成型方法。可以根据制品的形状、规格、大小来选择使用，但各有利弊。这里仅介规格、大小来选择使用，但各有利弊。这里仅介绍广泛采用的干压成型法。绍广泛采用的干压成型法。 干压成型干压成型是将经过造粒的瓷料装入一定形状的钢是将经过造粒的瓷料装入一定形状的钢模内，借助于模塞，在一定外力下压制成坯体。模内，借助于模塞，在一定外力下压制成坯体。 压电陶瓷的制作工艺压电陶瓷的制作工艺成型成型干压成型原理干压成型原理 在外力作用下，瓷料颗粒在模具内在外力作用下，瓷料颗粒在模具内相互靠近，并借助内部作用力牢固地把各颗粒联系相互靠近，并借助内部作用力牢固地把各颗粒联系起来，成为保持一定形状的坯体。起来，成为保持一定形状的坯体。干压坯体的结构干压坯体的结构：