Istraživanje i napredak u tehnikama niskotemperaturnog sinteriranja PZT piezoelektrične keramike u tekućoj fazi

Olovo cirkonat titanat keramika (PZT) naširoko se koristi u polarizirani piezoelektrični keramički pretvornik zbog svojih izvrsnih svojstava. Međutim, piezoelektrična keramika koja sadrži PZT ima relativno visoku temperaturu sinteriranja od oko 1200 °C. Temperatura oksidacije olovnog oksida (PbO) je oko 800 °C. Stoga je lako izazvati isparavanje PbO tijekom procesa sinteriranja, što ne samo da uzrokuje onečišćenje okoliša, već također uzrokuje odstupanje stvarnog sastava keramičkog materijala od dizajnirane formulacije, što rezultira pogoršanjem električnih svojstava. Osim toga, s razvojem tehnologije površinske montaže (SMT), višeslojni uređaji s čipom su favorizirani na tržištu zbog njihove visoke učinkovitosti, minijaturizacije i funkcionalne integracije. Međutim, visoka temperatura sinteriranja piezoelektrične keramike otežava postizanje zajedničkog pečenja keramičkog materijala i materijala elektrode. Ako se proces može poboljšati snižavanjem temperature sinteriranja, to ne samo da ima važnu tehničku i ekonomsku vrijednost u suzbijanju isparavanja PbO, što osigurava svojstva materijala, smanjuje onečišćenje okoliša, produljuje životni vijek opreme itd., nego također zamjenjuje Pt i Pd s Ag, Ni itd. Plemeniti metal se koristi kao unutarnja elektroda za istovremeno paljenje višeslojne piezoelektrične komponente čipa, čime se uvelike smanjuje trošak uređaja i ušteda energije. Osim toga, dubinsko istraživanje niskotemperaturnog sinteriranja može promicati razvoj teorije sinteriranja. Trenutačno postoje procesne metode za smanjenje temperature sinteriranja keramike uključujući proces sinteriranja, postupak mljevenja i metodu sinteriranja u tekućoj fazi. Među njima, postupak sinteriranja tekuće faze je najjednostavniji, najjeftiniji i prikladan za industrijsku primjenu. To je jedna od vrućih točaka u piezoelektričnoj industriji u zemlji i inozemstvu za proučavanje niskotemperaturnog sinteriranja PZT piezoelektrične keramike sinteriranjem u tekućoj fazi.

1 Mehanizam sinteriranja tekuće faze

Sinteriranjem pomoćnog sredstva za sinteriranje s niskim talištem kao što je Bi2O3, B2O3, SiO2, V2O5, itd. u PZT piezoelektričnom osnovnom materijalu, dodavanje tvari može stvoriti čvrstu otopinu s PZT-om, sinteriranje PZT-a piezo pretvornik piezoelektrična keramika pripada tekućoj fazi. Tekuća faza koja se javlja tijekom procesa sinteriranja namočit će čestice zelenog tijela i ispuniti pore između čestica, što stvara površinsku napetost između čestica. Veličina površinske napetosti povezana je s prirodom, količinom i veličinom čestica tekuće faze. Pod djelovanjem površinske napetosti, čestice teku i mijenjaju izvorni raspored te ih preuređuju kako bi se dobilo tješnje pakiranje između zelenih čestica. U isto vrijeme, zbog prisutnosti tekuće faze, proces prijenosa mase odvijat će se na granici između tekuće faze i čvrste faze, male čestice se postupno otapaju i nestaju, a velike čestice kontinuirano rastu i na kraju postaju jednoličan i gust porculan. Prisutnost tekuće faze aktivira atome na površini čestica praha. Staklena faza s niskim talištem formirana različitim pomoćnim sredstvima za sinteriranje s niskim talištem raspoređena je duž kontaktne površine svake čestice, a atomi se prenose difuzijom tekuće faze, a koeficijent difuzije je velik, tako da se proces sinteriranja znatno ubrzava, a temperatura sinteriranja može biti veća nego kada se tekuća faza ne pojavljuje. Da bi se to smanjilo, sljedeća tri zahtjeva moraju biti ispunjena kao aditivi za sinteriranje tekuće faze: (1) tekuća faza se treba pojaviti na temperaturi sinteriranja; (2) dobra sposobnost vlaženja čvrstih tvari; (3) čvrsta faza u tekućoj fazi. U njemu postoji značajna topljivost.

2 načina za postizanje sinteriranja tekuće faze

Najveća prednost PZT piezoelektrične keramike je što se može prilagoditi širokom rasponu elektrofizičkih svojstava promjenom sastava ili promjenom vanjskih uvjeta kako bi odgovarali različitim potrebama. Upotreba drugih tvari za postizanje niskotemperaturnog sinteriranja PZT keramike ne samo da smanjuje temperaturu sinteriranja, već i optimizira njezina električna svojstva. Osim toga, niskotemperaturno sinteriranje tekuće faze može se ostvariti konvencionalnom metodom čvrste faze, a postupak je jednostavan i industrijaliziran. Sinteriranje u tekućoj fazi uglavnom se provodi na tri načina: (1) čvrsta tvar se oblikuje u čvrstu otopinu sa sinteriranim tijelom; (2) aditiv tvori tekuću fazu sa sinteriranim tijelom (3) aditiv tvori prijelaznu tekuću fazu sa sinteriranim tijelom.

3.1 Dodatak sinteriranom tijelu da se dobije čvrsta otopina

Kada je primjesa blizu veličine čestica, oblika piezo kristala i cijene električne energije faze sinteriranja, može biti međusobno topljiva i tvoriti čvrstu otopinu, što uzrokuje iskrivljenje rešetke glavne kristalne faze, a defekti se povećavaju, tako da su neki strukturni elementi u neravnotežnom stanju, što ima veliku energiju i pogodno je. Premjestiti radi promicanja sinteriranja.

2.2 Dodatkom tvari u sinterirano tijelo nastaje tekuća faza

Sinteriranje u tekućoj fazi nastaje zbog dodavanja aditiva kako bi sustav imao nisku eutektičku točku. Temperatura je znatno niža od tradicionalne temperature sinteriranja piezo pretvornik s okruglim diskom . Tekuća faza nastaje u početnoj fazi sinteriranja. Granica zrna može se poboljšati zbog preraspodjele zrna i jačanja kontakta u sinteriranju u tekućoj fazi. Pokretljivost je takva da su pore dovoljno ispražnjene, čime se potiče zgušnjavanje sinteriranja i postiže svrha snižavanja temperature sinteriranja. Međutim, dodavanje stakla ili oksida s niskim talištem uvodi drugu fazu, a prisutnost previše druge faze neizbježno dovodi do značajnog smanjenja dielektrične konstante keramike, te se mora primijetiti povećanje dielektričnog gubitka tan δ.

2. 3 Dodatak i sinterirano tijelo tvore prijelaznu tekuću fazu.

Ako piezo keramika može formirati tekuću fazu u početnoj fazi sinteriranja, a sastav tekuće faze može ispariti ili ponovno ući u rešetku glavne kristalne faze na visokoj temperaturi, ona može funkcionirati kao doping modifikacija. Takvi aditivi s niskim talištem mogu ne samo uvelike smanjiti temperaturu sinteriranja, već i izbjeći stvaranje sekundarnih faza dodavanjem fluksa, čime se održavaju dobra piezoelektrična svojstva izvornog osnovnog materijala, što je od velike važnosti za uštedu energije i smanjenje zagađenja okoliša.