ZJ-6壓(ya)電(dian)測(ce)試(shi)系統介(jie)紹關於(yu)壓電陶瓷(ci)的制(zhi)備流程

陶瓷(ci)樣品(pin)的(de)制(zhi)備流程

將以(yi)上初(chu)始(shi)原料(liao)按(an)照化(hua)學計量(liang)比稱(cheng)量(liang)後(hou)放在紅(hong)外(wai)烘箱(xiang)內(nei)幹(gan)燥(zao)，裝入密(mi)封(feng)的球磨(mo)罐中，對(dui)於(yu)含有(you)Na2CO3試劑(ji)的(de)系列樣品(pin)，采(cai)用(yong)無(wu)水(shui)乙醇為球磨(mo)介(jie)質(zhi)，其他(ta)系列樣品(pin)則(ze)以(yi)蒸(zheng)餾水為球磨(mo)介(jie)質(zhi)球磨(mo)四小時。將所(suo)得漿(jiang)料(liao)和(he)瑪(ma)瑙(nao)磨(mo)球分(fen)離(li)後(hou)烘幹(gan)，而後(hou)裝入氧化鋁(lv)坩(gan)鍋，按(an)照不(bu)同體系采(cai)用(yong)不(bu)同(tong)預合成制(zhi)度對於(yu)樣品(pin)進(jin)行預合成。陶(tao)瓷(ci)粉料(liao)的(de)預合成過程是(shi)壹(yi)種化(hua)學(xue)反應進(jin)行的過程。這(zhe)種(zhong)化學(xue)反(fan)應(ying)不(bu)是(shi)在熔融狀態下(xia)進(jin)行的，而是(shi)在比熔(rong)點(dian)低的(de)溫(wen)度下(xia)，利用(yong)固(gu)體顆粒(li)間的(de)擴(kuo)散(san)來完成的(de)固相(xiang)反應(ying)。對體系（1）和（2）采(cai)用(yong)590℃×1h+710℃×1h+820℃×1h的預(yu)合成制(zhi)度 [44]；由(you)於(yu)體系（3）是(shi)高層數的(de)鉍層狀結(jie)構，其(qi)合成需(xu)要較高的能量(liang)方能(neng)實現，故(gu)采(cai)用(yong)以(yi)的速(su)率(lv)升至850~900℃的高溫(wen)，之(zhi)後(hou)保(bao)溫(wen)2小時。將預合成完的粉料(liao)手(shou)工(gong)研(yan)磨(mo)成(cheng)200目左(zuo)右(you)的(de)細(xi)粉，以質(zhi)量(liang)比為5~8%加(jia)入聚乙(yi)烯(xi)醇(chun)（PVA）粘(zhan)合劑(ji)造粒後(hou)並(bing)取(qu)120~150目粒(li)徑(jing)的(de)粉料(liao)，在單向(xiang)壓(ya)力機(ji)上(shang)以16.3MPa的壓(ya)力壓(ya)制(zhi)成直徑(jing)為10毫米(mi)，厚(hou)度(du)在0.8~1.8毫米(mi)範圍(wei)內(nei)的(de)圓(yuan)片(pian)坯體。經(jing)過550℃保(bao)溫(wen)1小時排膠(jiao)後(hou)在大(da)氣環(huan)境下(xia)對坯體進(jin)行燒結。影響(xiang)陶(tao)瓷(ci)燒結的因(yin)素(su)主(zhu)要有鍛(duan)燒溫(wen)度、保(bao)溫(wen)時間和(he)升(sheng)溫(wen)速率(lv)等。鍛燒溫(wen)度對(dui)成瓷(ci)的質(zhi)量(liang)極為重要，它直接(jie)影響(xiang)到(dao)陶瓷(ci)的致(zhi)密(mi)度(du)和晶(jing)體生(sheng)長(chang)。燒結過程中(zhong)致(zhi)密(mi)度(du)的提(ti)高主(zhu)要是(shi)靠(kao)離(li)子(zi)擴(kuo)散(san)來進(jin)行。離子(zi)擴(kuo)散(san)的速度由(you)擴(kuo)散(san)系數η決定。擴(kuo)散(san)系數是(shi)溫(wen)度的(de)函(han)數，即(ji)

其中(zhong)η0是(shi)與(yu)材(cai)料(liao)的(de)性質(zhi)和顆(ke)粒(li)大(da)小(xiao)有關的(de)常數，β是(shi)與(yu)活(huo)化(hua)能有(you)關的(de)常數。由(you)公式可以看出(chu)，當溫(wen)度升(sheng)高時，擴(kuo)散(san)系數增(zeng)大(da)，燒結過程加(jia)快；但溫(wen)度過高，超過燒結溫(wen)度的(de)上限(xian)，則(ze)由(you)於(yu)出(chu)現過多的(de)液(ye)相(xiang)，可能發生(sheng)粘(zhan)連，或由(you)於(yu)揮發使密(mi)度(du)下(xia)降，性能惡化，也(ye)會(hui)容(rong)易(yi)造成陶(tao)瓷(ci)發生(sheng)較大(da)的(de)變形。燒結溫(wen)度對(dui)晶(jing)粒生(sheng)長(chang)也有(you)很大(da)影響(xiang)，隨(sui)著溫(wen)度的(de)升高，晶(jing)粒生(sheng)長(chang)的速(su)度加(jia)快，所(suo)以溫(wen)度過高也會(hui)使(shi)陶瓷(ci)由(you)於(yu)晶(jing)粒生(sheng)長(chang)過大(da)而變脆(cui)，強度(du)減弱(ruo)。保(bao)溫(wen)時間、升(sheng)溫(wen)速率(lv)等對成(cheng)瓷(ci)質(zhi)量(liang)也有(you)影響(xiang)。

根據(ju)他(ta)人的(de)報(bao)道(dao)及我(wo)們的(de)初(chu)步探索，對(dui)於(yu)（1）體系在960~1160℃；（2）體系在1100~1160℃燒結2小時以制(zhi)備致密(mi)陶(tao)瓷(ci)；（3）體系在960~1140℃範圍(wei)內(nei)燒結。在初期(qi)摸(mo)索燒結工藝(yi)時，沒有采(cai)用(yong)任何(he)特殊的方(fang)法(fa)來防(fang)止Bi揮發，燒結後(hou)陶瓷(ci)片色(se)澤呈(cheng)淡(dan)黃與(yu)明(ming)黃相(xiang)間，樣品(pin)的(de)強(qiang)度(du)差(cha)、成瓷(ci)性不好。因此，後(hou)期在燒結時采(cai)用(yong)Bi2O3粉料(liao)提(ti)供(gong)Bi氣氛及埋(mai)燒的方法(fa)以防(fang)止Bi元素(su)揮發，制(zhi)備致密(mi)的(de)陶瓷(ci)材(cai)料(liao)。

在鉍層狀陶(tao)瓷(ci)的制(zhi)備過程中(zhong)，由(you)於(yu)Bi2O3在高溫(wen)下(xia)揮發，在材(cai)料(liao)中(zhong)容(rong)易(yi)形(xing)成Bi空位，隨(sui)後(hou)產(chan)生(sheng)氧(yang)空位，從而影響(xiang)材(cai)料(liao)的(de)漏(lou)電流(liu)和抗(kang)疲(pi)勞(lao)性能。為補充材(cai)料(liao)制(zhi)備過程中(zhong)損(sun)失的(de)Bi元素(su)，壹(yi)般在燒結過程中(zhong)，在承燒板（鋯板(ban)）上(shang)燒結樣品(pin)附(fu)近(jin)的某(mou)壹(yi)區(qu)域內(nei)放(fang)入原料(liao)質(zhi)量(liang)比為5~10％的Bi2O3原料(liao)形(xing)成Bi氣氛，以保(bao)證(zheng)晶(jing)粒正(zheng)常生(sheng)長(chang)。Bi2O3的熔(rong)點(dian)只(zhi)有(you)824℃，在燒結過程中(zhong)當溫(wen)度高於(yu)熔點(dian)時，會(hui)形(xing)成液相(xiang)。液相(xiang)的形(xing)成有(you)助(zhu)於(yu)燒結初期(qi)快(kuai)速(su)提(ti)高密(mi)度(du)，但是(shi)zui終(zhong)會(hui)得到(dao)壹(yi)個比(bi)較低的(de)密(mi)度(du)，這(zhe)是(shi)由(you)於(yu)液相(xiang)的原因形(xing)成(cheng)了(le)孔隙(xi)，而這(zhe)些(xie)孔隙(xi)又是(shi)燒結中難(nan)以(yi)消(xiao)除的(de)。因此適(shi)量(liang)添(tian)加(jia)Bi2O3粉料(liao)形(xing)成Bi氣氛將對鉍層狀陶(tao)瓷(ci)的燒結行為產(chan)生(sheng)很(hen)大(da)的(de)影響(xiang)。

在燒結過程中(zhong)，為盡量(liang)減少(shao)Bi2O3的揮(hui)發，采(cai)用(yong)圖(tu)2.1所(suo)示的埋(mai)粉法(fa)燒結。埋(mai)燒法(fa)

是(shi)在高溫(wen)鍛燒時用三氧化二鋁(lv)作(zuo)為埋(mai)粉將要燒結的預(yu)合成好的陶瓷(ci)坯體夾中間。

圖2.1埋(mai)燒法(fa)示意圖(tu)

Fig.2.1.Schematic diagram of the sintering process

圖2.2固相(xiang)反應(ying)法(fa)的工(gong)藝(yi)流(liu)程圖(tu)

Fig.2.2 Schematic representation for the process of the preparation

由(you)於(yu)高層數的(de)鉍層狀陶(tao)瓷(ci)難以(yi)形成(cheng)，因此(ci)我(wo)們控(kong)制(zhi)坯體燒結時的升溫(wen)速率(lv)：在900℃以前(qian)分(fen)別(bie)以(yi)10℃/min快速(su)升溫(wen)，此後(hou)分(fen)別(bie)以(yi)8℃/min和5℃/min升至(zhi)所(suo)需(xu)燒結溫(wen)度，並(bing)在燒結溫(wen)度下(xia)保(bao)溫(wen)2~2.5小時。將所(suo)制(zhi)備的樣品(pin)用(yong)320~800目的(de)砂紙打(da)磨成0.5mm厚(hou)度(du)的(de)陶(tao)瓷(ci)圓(yuan)片(pian)，並(bing)在上下(xia)表面(mian)分(fen)別(bie)鍍上(shang)電(dian)極，兩(liang)邊(bian)鍍上(shang)不(bu)同直(zhi)徑(jing)大(da)小(xiao)銀(yin)電極(ji)的(de)目(mu)的為了(le)防(fang)止邊(bian)緣漏(lou)電效(xiao)應。固(gu)相(xiang)反應(ying)法(fa)制(zhi)備鉍層狀陶(tao)瓷(ci)的具(ju)體工藝(yi)流程如(ru)圖(tu)2.2。

16   4.3.2極化(hua)工藝(yi)對(dui)壓(ya)電(dian)性能的影響(xiang)

經(jing)人工(gong)極(ji)化處(chu)理以後(hou)，壓電(dian)陶瓷(ci)的電(dian)疇按(an)極化(hua)電(dian)場方向(xiang)取(qu)向(xiang)排列，這(zhe)個(ge)取(qu)向(xiang)的程度(du)愈(yu)高，材(cai)料(liao)的(de)壓電(dian)活(huo)性就(jiu)愈(yu)強(qiang)。對(dui)於(yu)晶(jing)格結(jie)構很(hen)完整的(de)材(cai)料(liao)，要使它的電(dian)疇作90°轉動(dong)就(jiu)比(bi)較困(kun)難。因(yin)而極化(hua)以後(hou)的效(xiao)果，或者說對極(ji)化(hua)強(qiang)度的(de)貢獻(xian)，主(zhu)要是(shi)來自極化時作180°反轉(zhuan)的那些疇。在這(zhe)種(zhong)情(qing)況下(xia)，材(cai)料(liao)的(de)壓電(dian)性能就(jiu)比(bi)較難於(yu)充分(fen)地(di)發掘(jue)出(chu)來。如果能夠設法(fa)使壹(yi)些晶(jing)胞的(de)結構發生(sheng)畸變，這(zhe)樣在人工(gong)極(ji)化處(chu)理時就(jiu)有(you)利(li)於(yu)晶(jing)胞自(zi)發極化(hua)的(de)轉向(xiang)，即(ji)有利(li)於(yu)電疇的反(fan)轉，壓(ya)電(dian)活(huo)性也就(jiu)會(hui)有(you)所(suo)提高。[7]

鐵(tie)電陶(tao)瓷(ci)要經(jing)人工(gong)極(ji)化處(chu)理後(hou)，才具有(you)壓電性。要使鐵(tie)電陶(tao)瓷(ci)得到(dao)高程度(du)的(de)極化(hua)，充分(fen)發揮其(qi)潛(qian)在的壓(ya)電(dian)性能。合理地(di)選擇極化條件(jian)。即(ji)選擇極化電場、極(ji)化(hua)溫(wen)度和(he)極化時間這(zhe)三(san)個因(yin)素(su)彼此又(you)互(hu)有關系。

理論(lun)上，當外(wai)界電(dian)場超過矯頑(wan)場強(qiang)時，應該(gai)可以使大(da)部(bu)分(fen)電(dian)疇(chou)轉(zhuan)向(xiang)而完成極(ji)化。但實驗(yan)表(biao)明，在這(zhe)樣的(de)電(dian)場(chang)作(zuo)用下(xia)，維(wei)持很(hen)長時間，雖(sui)然(ran)可以得到(dao)壹(yi)定的(de)極(ji)化性質(zhi)，卻(que)不(bu)能(neng)說(shuo)壓電特性己(ji)得到(dao)充分(fen)的(de)發揮。為了(le)把壓(ya)電(dian)特性充分(fen)發掘(jue)出(chu)來，必須加(jia)電場至(zhi)飽(bao)和(he)場(chang)強，它的數值(zhi)遠比(bi)矯頑(wan)場強(qiang)高(約3壹(yi)4倍)。因此(ci)，矯頑(wan)場強(qiang)是(shi)極(ji)化(hua)時選擇場強的下(xia)限(xian)，飽(bao)和(he)場(chang)強則可以認為是(shi)極(ji)化(hua)時選擇場強的上限(xian)。不(bu)論(lun)是(shi)矯(jiao)頑(wan)場強(qiang)和飽(bao)和(he)場(chang)強，都隨(sui)溫(wen)度升(sheng)高而降低。

溫(wen)度升(sheng)高使疇運(yun)動更(geng)容(rong)易(yi)進(jin)行。顯(xian)然(ran)，如(ru)果在較高的溫(wen)度下(xia)進(jin)行人工(gong)極(ji)化，效(xiao)果可以更(geng)好些。

在實際選擇極化電場時，有時會(hui)受(shou)到(dao)擊穿(chuan)的限(xian)制(zhi)，就(jiu)是(shi)說(shuo)，未(wei)到(dao)達(da)飽(bao)和(he)場(chang)強，樣品(pin)即(ji)被擊穿(chuan)。擊穿(chuan)場強(qiang)與配方有關，還(hai)受(shou)樣品(pin)中(zhong)存在氣孔、裂縫(feng)及(ji)成(cheng)分(fen)不(bu)均(jun)勻等因素影響(xiang)。擊穿(chuan)場強(qiang)與樣品(pin)的(de)厚(hou)度(du)也(ye)有(you)關系。

當外(wai)加(jia)電場超(chao)過矯頑(wan)場後(hou)，極化(hua)的建立是(shi)突(tu)變(bian)的(de)，但壓電(dian)性尚不能立(li)即(ji)充分(fen)地(di)發揮出(chu)來，必須保(bao)持(chi)相(xiang)當長的(de)時間後(hou)，才能得到(dao)壹(yi)定程度(du)的(de)極化(hua)性能。極化時間長(chang)短(duan)，對不(bu)同的材(cai)料(liao)也(ye)不壹(yi)樣，與(yu)極(ji)化(hua)電(dian)場、極(ji)化(hua)溫(wen)度也(ye)有關系。在同樣的(de)極(ji)化(hua)電(dian)場和(he)極(ji)化時間下(xia)，極化(hua)溫(wen)度愈(yu)高，則電疇(chou)愈(yu)易(yi)趨於(yu)定向排列，極(ji)化效(xiao)果(guo)較好。這(zhe)可以作如下(xia)理解(jie):*，結晶(jing)的各(ge)向異性隨(sui)溫(wen)度升(sheng)高而降低。第(di)二，提高溫(wen)度可使電滯回(hui)線(xian)變窄(zhai)，矯頑(wan)場變(bian)小，實(shi)際上也(ye)就(jiu)是(shi)使(shi)疇(chou)運(yun)動更(geng)容(rong)易(yi)進(jin)行。第(di)三，提(ti)高溫(wen)度還(hai)可以減少空間電(dian)荷(he)對(dui)疇(chou)運(yun)動的阻(zu)礙(ai)作(zuo)用，使(shi)材(cai)料(liao)極(ji)化更(geng)充分(fen)。實(shi)際選擇極化溫(wen)度時，都是(shi)以(yi)溫(wen)度高壹(yi)些為好，但是(shi)如(ru)前(qian)所(suo)述(shu)，在提高極化溫(wen)度時，經(jing)常遇(yu)到(dao)的問(wen)題是(shi)電(dian)阻(zu)率(lv)太小，漏(lou)電嚴重，甚(shen)至導(dao)致電(dian)擊穿(chuan)【8】。

另外(wai)塗(tu)銀(yin)方式對極(ji)化效果也有(you)很大(da)影響(xiang)，由(you)於(yu)試片的邊(bian)緣比(bi)較疏(shu)松，缺陷(xian)較多，很容(rong)易(yi)造成邊(bian)緣擊穿(chuan)，本文選擇避開(kai)邊(bian)緣的(de)中(zhong)心塗(tu)銀(yin)方式，可以提高試片的(de)極化(hua)電壓(ya)，使材(cai)料(liao)的(de)壓電(dian)性能充分(fen)發揮出(chu)來。

綜合考(kao)慮各(ge)方(fang)面(mian)因(yin)素，實(shi)際試驗(yan)過程中(zhong)壹(yi)般選擇的極化條件(jian)為:160~170°，4000—6000V/mm，30min。將樣品(pin)上(shang)銀(yin)漿(jiang)，極化(hua)，放(fang)置(zhi)壹(yi)天測(ce)其(qi)壓(ya)電(dian)常數d33電滯(zhi)回(hui)線(xian)。

18 對於(yu)有些極化(hua)後(hou)性能較差(cha)的制(zhi)品可利用壓電(dian)體電滯(zhi)回(hui)線(xian)的特性, 進(jin)行“ 反向(xiang)極化(hua)”給(gei)予(yu)彌(mi)補。反(fan)向(xiang)極(ji)化就(jiu)是(shi)把(ba)已(yi)極化(hua)過的制(zhi)品反方(fang)向極化(hua)壹(yi)次反(fan)向(xiang)極化電(dian)壓略高於(yu)頭壹(yi)次極(ji)化(hua)的電壓(ya)。經(jing)過反向(xiang)極(ji)化(hua)其, 值大(da)約可提高以內(nei), 有些(xie)也可達(da)。