壓電陶瓷的生產工藝大致與普通陶瓷的生產工藝相似,但壓電陶瓷的生產工藝有自己的特點,所以,在此以 PZT 即 Pb (Zr, Ti) O3系陶甕為主,介紹壓電陶瓷的必要工序及制作方法。壓電陶瓷的主要工藝流程:
配料——球磨——過濾、干燥——預燒——二次球磨——過濾、干燥——過篩——成型——排塑——燒結——精修——上電極——燒銀——極化——測試。
首先,根據化學反應式配料。所用的原料大多為金屬氧化物,少數也可用碳酸鹽(預燒時便分解為氧化物)。為使生成壓電陶瓷的化學反應順利進行,要求原料細度一不超過2 μm(平均直徑)。提高原料純度,有利于提高產品質量,但這個問題不是絕對的,使用純度較低廉的原料,選擇適當的工藝條件,同樣可以生產出性能優良的產品。
通常使用轉動球磨機或振動球磨機進行原料混合及粉碎。另外,在生產中往往還使用氣流粉碎法,用高壓氣流的強力破碎作用,使粉料形成霧狀,由于不用球石,可以避免雜質混入,而且效率提高。
預燒中的反應過程:預燒過程一般須經過四個階段:線性膨脹(室溫~400℃) , 固相反應(400~750℃) ,收縮(750~850℃) 和晶粒生長(800~900℃以上)。
原料經預燒后,就合成了固溶體化合物。再經一次粉碎,便可成型。成型可根據不同的要求采用軋膜、壓型或等靜壓等方式。成型之前需加入粘合劑。對軋膜的情況,粘合劑一般是粉料質量的15%~20%, 對壓型的情況只需加5%左右。過多的粘合劑會使制品的致密度降低。成型后生坯中的粘合劑、水分等必須加溫排去,稱為排塑或排膠。
排塑后的生坯重新裝爐燒結。影響燒結的因素很多,首先是配方的化學組成,當配方組成中有足夠的活動離子時,燒結容易進行。例如,PZT中鋯離子活動性差,所以 PZT 中鋯含量增加,燒結溫度升高,燒結困難。
添加物對改善壓電陶瓷性能和壓電陶瓷的燒結起很大作用。“軟性”添加物的共同特點是可以使陶瓷性能往“軟”的方面變化,也就是提高彈性柔順系數,降低機械品質因子Qm值,提高介電常數,增大介電損耗。由于“軟性”添加物加入固溶體中時形成A位置空位,所以又稱為產生A 空位添加物。由于燒結過程中形成了陽離子空位,從而大大加速離子擴散過程,促進壓電陶瓷燒結。
“硬性”添加物是指進入A位置的K 、Na 以及進入B位置的Fe2 、Co2 、Mn2 、Ni2 、Mg2 等金屬離子。“硬性”添加物的作用正好與“軟性”添加物作用相反,能使壓電陶瓷的性能向“硬”的方向發展,也就是說,使介電損耗降低,提高機械品質因子Qm值,提高介電常數。“硬性”添加物所起的作用是主作用,在晶格中,它引起氧空位,使晶胞產生收縮,降低擴散速度,因而使壓電陶瓷難以燒結。
加人產生液相的添加物(如 MgO, MnO等), 可降低燒結溫度,但燒結溫度范圍變窄。添加能限制晶粒長大的添加物(如 Fe3 , Al3 , Cr3 等), 可形成有限固溶體,隨著燒結過程的進行,晶格缺陷得到矯正,溶解度降低,使得已固溶的添加物在晶界析出,形成第二相,可以起到抑制晶粒長大的作用,從而提高陶瓷的抗折強度。
壓電陶瓷的燒成應在氧化氣氛中進行。特別是組成中有La3 、Nb5 等添加物時,對它們燒結后往往還要進行氧化處理,以保證產生陽離子空位,使游離電子數目減少,提高壓電性能。
壓電陶瓷燒結過程中PbO的揮發對產品的質量影響很大。由于PbO揮發,破壞了配方的化學組成,導致Pb (Zr, Ti) O3的分解,出現非鐵電相ZrO2, 使陶瓷內部氣孔率增加,難以燒結。
燒成的陶瓷經精修、研磨、清潔后,就可以被覆上電極。被覆電極一般采用涂布銀漿烘干,然后裝爐,加熱到750℃, 保溫10~20min, 使銀漿中的氧化銀還原為銀,并燒滲到陶瓷表面,形成牢固結合層。也可采用真空蒸鍍或化學沉積等辦法來被電極。被上電極的產品便可進行人工極化處理。
壓電陶瓷必須經過極化后才有壓電性。極化就是在直流電場作用下使電疇沿電場方向取向。為使極化充分進行,應當提高極化場。極化電場大小主要取決于矯頑場強和飽和場
強。極化場強一定要大于矯頑場強,才能使電疇發生反轉。但提高場強容易引起擊穿,這
就限制了極化電場的提高。