Penelitian dan kemajuan teknik sintering fase cair suhu rendah keramik piezoelektrik PZT

Keramik timbal zirkonat titanat (PZT) telah banyak digunakan transduser keramik piezoelektrik terpolarisasi karena sifatnya yang sangat baik. Namun keramik piezoelektrik yang mengandung PZT mempunyai suhu sintering yang relatif tinggi yaitu sekitar 1200 °C. Suhu oksidasi timbal oksida (PbO) adalah sekitar 800 °C. Oleh karena itu, PbO mudah menguap selama proses sintering, yang tidak hanya menyebabkan pencemaran lingkungan, tetapi juga menyebabkan komposisi bahan keramik sebenarnya menyimpang dari formulasi yang dirancang, sehingga mengakibatkan penurunan sifat kelistrikan. Selain itu, dengan berkembangnya teknologi pemasangan permukaan (SMT), perangkat chip multi-lapisan disukai pasar karena efisiensi tinggi, miniaturisasi, dan integrasi fungsionalnya. Namun, suhu sintering yang tinggi pada keramik piezoelektrik menyulitkan tercapainya pembakaran bersama antara bahan keramik dan bahan elektroda. Jika perbaikan proses dapat dilakukan dengan menurunkan suhu sintering, hal ini tidak hanya memiliki nilai teknis dan ekonomi yang penting dalam menekan volatilisasi PbO, yaitu memastikan sifat material, mengurangi pencemaran lingkungan, memperpanjang umur peralatan, dll., tetapi juga mengganti Pt dan Pd dengan Ag, Ni, dll. Logam mulia digunakan sebagai elektroda bagian dalam untuk menyalakan komponen piezoelektrik chip multilayer sekaligus, sehingga sangat mengurangi biaya perangkat dan menghemat energi. Selain itu, penelitian mendalam tentang sintering suhu rendah dapat mendorong perkembangan teori sintering. Saat ini metode proses untuk menurunkan suhu sintering keramik meliputi proses sintering, proses penggilingan, dan metode sintering fasa cair. Diantaranya, proses sintering fase cair adalah yang paling sederhana, berbiaya terendah, dan nyaman untuk aplikasi industri. Ini adalah salah satu titik panas dalam industri piezoelektrik di dalam dan luar negeri untuk mempelajari sintering suhu rendah keramik piezoelektrik PZT dengan sintering fase cair.

1 Mekanisme sintering fase cair

Dengan menyinter bahan pembantu sintering dengan titik leleh rendah seperti Bi2O3, B2O3, SiO2, V2O5, dan lain-lain pada bahan dasar piezoelektrik PZT, penambahan suatu zat mampu membentuk larutan padat dengan PZT, maka sintering PZT keramik piezoelektrik transduser piezo termasuk dalam fase cair. Fase cair yang terjadi pada proses sintering akan membasahi partikel green body dan mengisi pori-pori antar partikel sehingga menimbulkan tegangan permukaan antar partikel. Besarnya tegangan permukaan berhubungan dengan sifat, jumlah, dan ukuran partikel fasa cair. Di bawah aksi tegangan permukaan, partikel-partikel mengalir dan mengubah susunan aslinya dan menyusunnya kembali untuk mendapatkan pengepakan yang lebih rapat di antara partikel-partikel hijau. Pada saat yang sama, karena adanya fase cair, proses perpindahan massa akan berlangsung pada antarmuka antara fase cair dan fase padat, partikel-partikel kecil secara bertahap larut hingga menghilang, dan partikel-partikel besar terus tumbuh dan akhirnya menjadi porselen yang seragam dan padat. Kehadiran fase cair mengaktifkan atom-atom pada permukaan partikel bubuk. Fase kaca dengan titik leleh rendah yang dibentuk oleh berbagai alat bantu sintering dengan titik leleh rendah didistribusikan di sepanjang antarmuka kontak setiap partikel, dan atom diangkut melalui difusi fase cair, dan koefisien difusinya besar, sehingga proses sintering sangat dipercepat, dan suhu sintering dapat dibuat lebih besar daripada saat fase cair tidak terjadi. Untuk menguranginya, tiga persyaratan berikut harus dipenuhi sebagai bahan tambahan untuk sintering fasa cair: (1) fasa cair harus muncul pada suhu sintering; (2) keterbasahan yang baik terhadap padatan; (3) fase padat dalam fase cair. Ada kelarutan yang signifikan di dalamnya.

2 Cara untuk mencapai sintering fase cair

Keuntungan terbesar dari keramik piezoelektrik PZT adalah dapat disesuaikan dengan berbagai sifat elektrofisika dengan mengubah komposisi atau mengubah kondisi eksternal agar sesuai dengan kebutuhan yang berbeda. Penggunaan zat lain untuk mencapai sintering keramik PZT suhu rendah tidak hanya mengurangi suhu sintering, tetapi juga mengoptimalkan sifat listriknya. Selain itu, sintering suhu rendah fase cair dapat diwujudkan dengan metode fase padat konvensional, dan prosesnya sederhana dan terindustrialisasi. Sintering fase cair terutama dilakukan dengan tiga cara: (1) bahan padat dibentuk menjadi larutan padat dengan benda yang disinter; (2) aditif membentuk fase cair dengan benda yang disinter (3) aditif membentuk fase cair transisi dengan benda yang disinter.

3.1 Penambahan pada badan sinter untuk membentuk larutan padat

Ketika pencampuran mendekati ukuran partikel, bentuk kristal piezo dan harga listrik dari fase sintering, maka dapat saling larut untuk membentuk larutan padat, yang menyebabkan fase kristal utama menjadi terdistorsi kisi, dan cacat meningkat, sehingga beberapa elemen struktur berada dalam keadaan non-ekuilibrium, yang memiliki energi besar dan nyaman. Bergerak untuk mempromosikan sintering.

2.2 Penambahan zat pada benda sinter membentuk fase cair

Sintering fasa cair disebabkan adanya penambahan bahan aditif sehingga sistem mempunyai titik eutektik yang rendah. Temperaturnya jauh lebih rendah dibandingkan temperatur sintering tradisional transduser cakram bulat piezo . Fase cair terbentuk pada tahap awal sintering. Batas butir dapat ditingkatkan karena penataan ulang butir dan penguatan kontak dalam sintering fase cair. Mobilitasnya sedemikian rupa sehingga pori-porinya cukup kosong, sehingga mendorong pemadatan sintering dan mencapai tujuan menurunkan suhu sintering. Namun, penambahan kaca atau oksida dengan titik leleh rendah akan menimbulkan fase kedua, dan keberadaan fase kedua yang terlalu banyak pasti akan menyebabkan penurunan konstanta dielektrik keramik secara signifikan, dan peningkatan kerugian dielektrik tan δ harus diperhatikan.

2. 3 Penambahan dan benda sinter membentuk fase cair transisi.

Jika keramik piezo dapat membentuk fasa cair pada tahap awal sintering, dan komposisi fasa cair tersebut dapat menguap atau masuk kembali ke kisi fasa kristal utama pada suhu tinggi, maka dapat berfungsi sebagai modifikasi doping. Aditif dengan titik leleh rendah seperti itu tidak hanya dapat mengurangi suhu sintering secara signifikan, tetapi juga menghindari pembentukan fase sekunder dengan penambahan fluks, sehingga mempertahankan sifat piezoelektrik yang baik dari bahan dasar asli, yang sangat penting untuk penghematan energi dan pengurangan pencemaran lingkungan.