原材料对压电陶瓷性能的影响.doc

原材料对压电陶瓷性能的影响

1、原材料的选择
原材料的纯度和所处的状态对压电陶瓷材料的性能有极大的影响。生产实践表明：同一配方，使用不同出处的原材料可能得到差异很大的结果。因此所有生产压电陶瓷元器件的厂家都希望原材料的来源稳定。或者通过储存大批的原材料以避免由于原材料的波动造成质量波动。原材料在很大程度上可决定压电陶瓷元器件性能参数的优劣，对工艺的顺利进行有重要的影响。如Pb3O4、ZrO2、TiO2是压电陶瓷生产中用量最大的三大主料，若纯度低，引入杂质的总量就很大，所以选择材料时要求纯度高些，一般在98%以上。而用量很少的添加物，即使纯度低些也不致于引入较多的杂质，故用量大的原材料，其纯度比少量添加物的纯度更为重要。原材料的加入形式对工艺性能和产品质量也有很大影响，一般都是选用化学活性较大的化合物形式加入。比如碱土金属氧化物多以其碳酸盐的形式加入。因为碳酸盐能在合成温度下分解而产生新的氧化物，具有很大的活性。比如三大主要原材料的选择如下：A．氧化铅（PbO）铅的氧化物有三种：一种叫密陀僧（PbO），一种叫铅丹（Pb3O4），一种叫铅白[2PbCO2、Pb(OH)2],压电陶瓷中一般用两种形态的氧化铅，即红色的四方形态和黄色的叙方形态，红色的是稳定的形态，比黄色的难溶于水，常为压电陶瓷生产大量采用。B．氧化锆（ZrO2）氧化锆有两种形态：低温性和高温性，常选择的是低温性的氧化锆是加入少量CaO、MgO或Y2O3制成的立方形态的氧化锆固溶体，这种氧化锆的固溶体叫稳定氧化锆。C.氧化钛（TiO2）氧化钛有三种形态：即脱钛矿、板铁矿和金红石。压电陶瓷生产中最常用的是金红石形态的氧化钛，金红石是一种稳定的晶型（四方晶系），其电性能最好，介电常数大，介质损耗小。如果购入的原材料不能符合要求，通常采用水洗、煅烧和粉碎三种方法进行处理，但近两年制造原材料的厂家改进工艺和制造方法，原材料无论是纯度、细度杂质含量、活性都有很大的改进，所以采用上面提到的水洗、煅烧和粉碎三种方法在工厂已不大采用。
2、原材料细度的影响
原材料细度对压电陶瓷材料的性能有很大影响。因为原材料颗粒越细则比表面越大，即表面能越大，活性也越高。所谓活性从化学观点看主要指原材料的化学活泼性。活性大，则反应容易进行；反之，则相反。若从物理角度看原料的活性主要指构成原料的质点（原子、离子或分子）挣脱本身结构挥发、扩散的可能性。故活性大，则容易挣脱。活性大的原料就其结构而论都是处于一种自由能较高的介稳状态。故其参与物理变化、化学反应都要容易得多。因为颗粒小在一配方中可以认为同类原子集中在一起的数量和区域都小，这样扩散的路程短，固相反应的速率大，有利于固相反应的充分进行。另外，颗粒小还有利于高温下固体颗粒在表面张力的作用下能够发生类似液体物质的粘滞流动，促使颗粒的质点占据品格中的密结点，便于在较低的温度和较宽的温度范围内获得较好的烧成结果。同样，因为原材料颗粒小，同类原子集中一起的数量和区域都小。则我们可以进一步认为，在相同的工艺条件下，原料的颗料越细，组成中的微观Zr/Ti越接近理想值。有助于提高压电陶瓷材料的温度稳定性和时间稳定性。同时陶瓷材料的一致性和重复性也大大改善。原材料的细度对成型的影响。原料的颗粒越细，相对粒形也就越圆滑，越有可能形成最紧密堆积，成型时流动性好，可塑性高，坯件的宏观表面趋于平坦，容易得到表面光滑内部结构致密的坯件。而这些又是降低烧成温度和收缩率，防止坯件变形开裂从而获得致密烧成的重要条件之一。如果原料颗粒粗、成型时的可塑性和流动性必然降低，从而给成型带来困难，或者成型后的瓷坯表面粗糙。烧成后的瓷片性能必然恶化，某些薄片甚至不能成形。
3、原材料中杂质的影响
我们这时所说的原材料杂质包括固有杂质和混入型杂质两种。原料中杂质含量的高低及种类的多少是衡量原粒纯度的重要指标之一。化工原料分为工业纯、化学纯、分析纯等。其杂质含量的高低和种类的多少要求不一。而在压电陶瓷生产中，按配方组成不同对杂质含量和种类要求各异。有的杂质可以起到降低烧成温度、抑制晶粒长大等改善性能的作用。如：Fe+2、Mg+2、Sb+3等含量可以适当高些。而对哪引起能使晶格发生畸变或者能在晶体中产生自由电子和空穴的如SiO2等的含量都应严格控制。有时这类杂质即使只有0.1wt%就会使压电陶瓷材料的物理性能显著恶化而完全失去使用价值。但事物总是有其特有的双重性。以SiO2为例，只要根据配方组成及对性能的要求选择合适的添加量是可以获得满意结果的。如：以添加量为0.05wt%、0.1wt%使陶瓷材料的机电耦合系数Kp从0.69上升到0.73—0.74，弹性柔顺系数&E11从15.4×10-12米2/牛顿上升到17.8×10-12米2/牛顿，并取得了在瓷片直接钻孔而不碎的特有效果。这就是说对于杂质的种