鋯鈦酸鉛壓電陶瓷的制備試驗

1、錯鈦酸鉛壓電陶瓷的制備實驗引言:壓電陶瓷我們將具有壓電效應的陶瓷稱為壓電陶瓷，而壓電效應分為正壓電效應和負壓電效應。正壓電效應：當對某些晶體施加壓力、張力或切向力時，則發(fā)生與應力成比例的介質極化，同時在晶體兩端面將出現數量相等、符號相反的束縛電荷，這種現象稱為正壓電效應，如下圖所示；逆壓電效應：當在晶體上施加電場引起極化時，將產生與電場強度成比例的變形或機械應業(yè)化方內I力，這種現象稱為逆壓電效應。注：實線代表形變前的情況;虛線代表形變后的情況，十+正壓電效應示意圖自從十九世紀五十年代中期，由于鈣鈦礦的PZT陶瓷具有比BaTiO3更為優(yōu)良的壓電和介電性能，因而得到廣泛的研究和應用。圖1-1為Pb

2、(ZrxTii-x)O3體系的低溫相圖1。在居里溫度以上時，立方結構的順電相為穩(wěn)定相。在居里溫度以下，材料為鐵電相，對于富Ti組分(0WxW0.52)為四方相；而低Ti組分(0.52wxw0.94)為三方相。兩種晶相被一條x=0.52的相界線分開。在三方相區(qū)中有兩種結構的三方相：高溫三方相和低溫三方相，PbZrO3組分這兩種三方相的區(qū)別在于前者為簡單三方晶胞，后者為復合三方晶胞。在靠近(0.94WxW1)的地方為反鐵電區(qū)，反鐵電相分別為低溫斜方相和高溫四方相。PUZrO-IOS03040506070B090PbTiOjMOLE%POT。一O*WHnlMHMdHuL圖1-1FZT固溶體和圖-Tf

3、etxaronslKhombdidnil(R3mTR3c)圖2PZT四方相和三方相的晶體結構m如圖1-2所示10，對于四方相，自發(fā)極化方向沿著六個<100>方向中的一個方向進行，而三方相的自發(fā)極化方向沿著八個<111>方向中的一個方向進行。由于自發(fā)極化方向的不同，在不同的晶體結構中產生不同種類的電疇，在四方相中產生180°和90°電疇，三方相中產生180°、109°、71°電疇。一、實驗目的：本實驗主要是通過對具有壓電性能的陶瓷材料PZT（錯鈦酸鉛）的制備來掌握特種陶瓷材料的整個工藝流程，并掌握一定的性能測試手段。二、實

4、驗儀器：電子天平、粉末壓片機、箱式電阻爐、成型模具、溫度控制儀、準靜態(tài)d33測量儀、極化裝置、阻抗分析儀等。三、實驗原理：實驗室制備PZT壓電陶瓷的工藝路線為：配方設計一PZT粉體混合研磨制備一預燒一成型一排塑一燒結一上電極一極化一性能測試PZT粉體制備PZT壓電陶瓷的粉體制備方法一般包括：固相法和液相法。傳統(tǒng)固相法具有產量高、易于工藝等優(yōu)點；液相法包括：溶膠一凝膠法、水熱法以及沉淀法，沉淀法又包括分步沉淀法和共沉淀法。其中，溶膠-凝膠法和水熱法研究較多。預燒混合后，壓電坯料一般以粉末或顆粒的形式進行煨燒，煨燒的目的是：1、出結結合水、碳酸鹽中的二氧化碳和可揮發(fā)物質；2、使組成中的氧化物產生熱

5、化學反應而形成所希望的固溶體；因為反應結果，又減少了再最后燒成的體積收縮。理想上，煨燒溫度要選的高一些，使得能夠發(fā)生完全反應；但太高的溫度以后不容易研磨，且一些易揮發(fā)氧化物(如Pb的化合物)容易揮發(fā)造成比例失調。研磨研磨可以使原先存在的不均勻性和煨燒產生的不均勻性得到改善。如果過粗，則陶瓷顆粒間會有大的空隙，同時降低燒結密度，如果太細，則他的膠體性質可能妨礙后來的成型。成型成型方法主要有注漿成型、可塑成型、模壓成型以及等靜壓成型法。排塑成型后的制品要在一定的溫度下進行排塑，排塑的目的，就是在一定的溫度下，除了使在成型過程中所加入的粘結劑全部揮發(fā)跑掉以外，還使坯件具有一定的機械強度。燒結當前PZ

6、T陶瓷燒結主要采用的是傳統(tǒng)固相燒結，它雖然操作簡單，但由于燒結溫度過高，存在著嚴重不足。首先，高溫下PbO容易揮發(fā)損失，造成PZT材料化學組分不能精確控制，影響了材料的使用性能，同時增加了對環(huán)境的污染；其次，由于錯離子的活動性差，對富銘PZT陶瓷燒結十分困難，需要非常高的溫度，導致設備要求和能耗增加。為克服以上不足，各國學者進行了大量研究，積極尋找先進的燒結方法和合理的燒結工藝。改進的固相燒結；添加燒結助劑實現液相燒結；反應燒結(反應燒結即在組分相發(fā)生反應的同時致密化，粉體合成和燒結一步完成)；采用特殊裝置和手段實現燒結(熱壓燒結是利用塑性流動、離子重排和擴散對材料進行致密化，微波燒結)。四、

7、實驗內容及步驟：1. PZT粉料的稱量與預燒(1)原料準備：Pb3O4、TiO2、ZrO2等；(2)按照上個實驗中所設計的配方，將原料在電子天平上進行稱量；(3)將稱量好的原料倒入研缽中，加入適量酒精將原料混合均勻，并研磨到一定細度(大約30分鐘)；(4)將混合好的粉料烘干，然后放入電爐中進行預燒，預燒制度：室溫-500C,240C/h;500-700C,120C/h,700c保溫1h;700-900C,120C/h,900c保溫2-3h。達到保溫時間后，關閉電爐電源，隨爐冷卻，爐溫下降到200c以下，坯件即可出爐。2. PZT粉料的造粒與成型（1）將預燒好的粉料再進行研磨（大約30分鐘），然

8、后加入濃度為5%的聚乙烯醇（PVA）水溶液大約3-4滴，混合均勻后將其烘干；（2）用壓片機將烘干的粉料壓制成直徑10mm,厚度約1.1mm的圓片。要求圓片無裂紋、不分層，至少壓成4片符合要求的圓片。3. PZT陶瓷的預燒排塑與燒結將圓片放置在氧化鋁塔塌板上，并用塔竭蓋上，然后放入電爐中進行預燒排塑和燒結。預燒排塑和燒結是兩個獨立的工藝環(huán)節(jié)，預燒排塑后應該使樣品完全冷卻后再進行燒結工藝進行。預燒排塑工藝制度：升溫速率：0-100C50C/h;100-500C120C/h;500-870C180C/h（h-小時）。預燒溫度：870C±10C保溫時間：2h,當達到保溫時間后，關閉電源，隨爐

9、冷卻至200c以下，便可出爐。燒結制度：燒結溫度視配方不同而變化。燒結溫度在1200-1300±30C之間，保溫時間為1-2h。升溫速率控制在300C/ho4. PZT陶瓷的上電極與極化用細砂紙將陶瓷片打磨平整光滑；在光滑的陶瓷表面上鍍上電極，然后用耐壓測試儀進行極化。5. PZT陶瓷的電學性能測試利用數字電橋測試陶瓷的電容量和介電損耗，利用準靜態(tài)d33測量儀測試樣品的壓電常數，利用阻抗分析儀測試樣品的機電耦合系數kp等。介電常數采用的計算公式：彳=4Ct/n%d2,C為電容（F）,t為樣品的厚度（m）,d為樣品的直徑（m）,0為真空介電常數8.85M0-12（F/m）。注意事項：由

10、于PZT陶瓷為含鉛陶瓷，其燒結溫度也較高，這樣氧化鉛在高溫環(huán)境下具有相當高的飽和蒸氣壓，從而導致鉛的揮發(fā)，其飽和蒸氣壓越高，鉛揮發(fā)的越厲害，且隨著錯/鈦比的增加，氧化鉛的飽和蒸氣壓逐漸增大，使鉛揮發(fā)變的更為嚴重，從而造成化學組分偏離計量。當前，對于鉛揮發(fā)一般采取的措施為：1、 在粉體合成時加入過量的鉛。一方面為彌補由于鉛揮發(fā)造成計量的偏離，使最終產品的組分接近化學計量；另一方面，過量鉛的加入也可在燒結初期形成液相，以增加反應物的接觸面積，加速錯、鈦和摻雜物的擴散，提高制品的燒結致密性和均勻性。但鉛的加入量應適量，太多或太少都將對最終產品的性能造成影響。2、 制得高活性的PZT粉體，以圖在較低的溫度下實現致密化