Ricerca e progressi nelle tecniche di sinterizzazione in fase liquida a bassa temperatura delle ceramiche piezoelettriche PZT

Le ceramiche di piombo zirconato titanato (PZT) sono state ampiamente utilizzate in trasduttore ceramico piezoelettrico polarizzato grazie alle loro eccellenti proprietà. Tuttavia, le ceramiche piezoelettriche contenenti PZT hanno una temperatura di sinterizzazione relativamente elevata di circa 1200 °C. La temperatura di ossidazione dell'ossido di piombo (PbO) è di circa 800 °C. Pertanto, è facile provocare la volatilizzazione del PbO durante il processo di sinterizzazione, che non solo causa inquinamento ambientale, ma fa anche sì che la composizione effettiva del materiale ceramico si discosti dalla formulazione progettata, con conseguente deterioramento delle proprietà elettriche. Inoltre, con lo sviluppo della tecnologia a montaggio superficiale (SMT), i dispositivi con chip multistrato sono favoriti dal mercato per la loro elevata efficienza, miniaturizzazione e integrazione funzionale. Tuttavia, l'elevata temperatura di sinterizzazione della ceramica piezoelettrica rende difficile ottenere una co-cottura del materiale ceramico e del materiale dell'elettrodo. Se è possibile ottenere un miglioramento del processo abbassando la temperatura di sinterizzazione, non solo ha un importante valore tecnico ed economico nel sopprimere la volatilizzazione del PbO, garantendo le proprietà del materiale, riducendo l'inquinamento ambientale, prolungando la durata delle apparecchiature, ecc., ma anche sostituendo Pt e Pd con Ag, Ni, ecc. Il metallo nobile viene utilizzato come elettrodo interno per accendere il componente piezoelettrico del chip multistrato alla volta, riducendo così notevolmente il costo del dispositivo e risparmiando energia. Inoltre, una ricerca approfondita sulla sinterizzazione a bassa temperatura può promuovere lo sviluppo della teoria della sinterizzazione. Attualmente, i metodi di processo per ridurre la temperatura di sinterizzazione della ceramica includono il processo di sinterizzazione, il processo di macinazione e il metodo di sinterizzazione in fase liquida. Tra questi, il processo di sinterizzazione in fase liquida è il più semplice, il più economico ed è conveniente per l'applicazione industriale. È uno dei punti caldi dell'industria piezoelettrica in patria e all'estero per studiare la sinterizzazione a bassa temperatura della ceramica piezoelettrica PZT mediante sinterizzazione in fase liquida.

1 Meccanismo di sinterizzazione in fase liquida

Sinterizzando un coadiuvante di sinterizzazione a basso punto di fusione come Bi2O3, B2O3, SiO2, V2O5, ecc. in un materiale di base piezoelettrico PZT, l'aggiunta di una sostanza è in grado di formare una soluzione solida con PZT, la sinterizzazione di PZT La ceramica piezoelettrica del trasduttore piezoelettrico appartiene a una fase liquida. La fase liquida che si verifica durante il processo di sinterizzazione bagnerà le particelle del corpo verde e riempirà i pori tra le particelle, creando una tensione superficiale tra le particelle. L'entità della tensione superficiale è correlata alla natura, alla quantità e alla dimensione delle particelle della fase liquida. Sotto l'azione della tensione superficiale, le particelle fluiscono e cambiano la disposizione originale e le riorganizzano per ottenere un impaccamento più stretto tra le particelle verdi. Allo stesso tempo, a causa della presenza della fase liquida, il processo di trasferimento di massa procederà all'interfaccia tra la fase liquida e la fase solida, le piccole particelle si dissolvono gradualmente per scomparire e le particelle grandi crescono continuamente e alla fine diventano porcellana uniforme e densa. La presenza di una fase liquida attiva gli atomi sulla superficie delle particelle di polvere. La fase vetrosa a basso punto di fusione formata da vari coadiuvanti di sinterizzazione a basso punto di fusione è distribuita lungo l'interfaccia di contatto di ciascuna particella e gli atomi vengono trasportati dalla diffusione in fase liquida e il coefficiente di diffusione è elevato, in modo che il processo di sinterizzazione sia notevolmente accelerato e la temperatura di sinterizzazione può essere aumentata rispetto a quando non si verifica la fase liquida. Per ridurre ciò, è necessario soddisfare i seguenti tre requisiti come additivi per la sinterizzazione in fase liquida: (1) la fase liquida deve apparire alla temperatura di sinterizzazione; (2) buona bagnabilità ai solidi; (3) fase solida in fase liquida. C'è una significativa solubilità in esso.

2 modi per ottenere la sinterizzazione in fase liquida

Il più grande vantaggio delle ceramiche piezoelettriche PZT è che possono essere adattate a un'ampia gamma di proprietà elettrofisiche modificando la composizione o modificando le condizioni esterne per soddisfare le diverse esigenze. L'uso di altre sostanze per ottenere la sinterizzazione a bassa temperatura della ceramica PZT non solo riduce la temperatura di sinterizzazione, ma ne ottimizza anche le proprietà elettriche. Inoltre, la sinterizzazione a bassa temperatura in fase liquida può essere realizzata mediante il metodo convenzionale in fase solida e il processo è semplice e industrializzato. La sinterizzazione in fase liquida viene effettuata principalmente in tre modi: (1) la materia solida viene formata in una soluzione solida con il corpo sinterizzato; (2) l'additivo forma una fase liquida con il corpo sinterizzato (3) l'additivo forma una fase liquida di transizione con il corpo sinterizzato.

3.1 Aggiunta al corpo sinterizzato per formare una soluzione solida

Quando la miscela è vicina alla dimensione delle particelle, alla forma del piezocristallo e al prezzo dell'elettricità della fase di sinterizzazione, può essere mutuamente solubile per formare una soluzione solida, che causa la distorsione del reticolo della fase cristallina principale e i difetti aumentano, in modo che alcuni elementi strutturali siano in uno stato di non equilibrio, che ha una grande energia ed è conveniente. Muoversi per promuovere la sinterizzazione.

2.2 L'aggiunta della sostanza al corpo sinterizzato forma una fase liquida

La sinterizzazione in fase liquida è dovuta all'aggiunta di additivi per far sì che il sistema abbia un basso punto eutettico. La temperatura è significativamente inferiore alla temperatura di sinterizzazione tradizionale del trasduttore piezoelettrico a disco rotondo . La fase liquida si forma nella fase iniziale della sinterizzazione. Il confine del grano può essere migliorato grazie alla ridisposizione dei grani e al rafforzamento del contatto nella sinterizzazione in fase liquida. La mobilità è tale che i pori sono sufficientemente scaricati, favorendo così la densificazione della sinterizzazione e raggiungendo lo scopo di abbassare la temperatura di sinterizzazione. Tuttavia, l’aggiunta di un vetro o ossido bassofondente introduce una seconda fase, e la presenza di troppa seconda fase porta inevitabilmente ad una significativa diminuzione della costante dielettrica della ceramica, e si deve notare un aumento della perdita dielettrica tan δ.

2. 3 L'aggiunta e il corpo sinterizzato formano una fase liquida transitoria.

Se la ceramica piezoelettrica può formare una fase liquida nella fase iniziale della sinterizzazione e la composizione della fase liquida può volatilizzarsi o rientrare nel reticolo della fase cristallina principale ad alta temperatura, può funzionare come una modifica del drogaggio. Tali additivi a basso punto di fusione possono non solo ridurre notevolmente la temperatura di sinterizzazione, ma anche evitare la formazione di fasi secondarie mediante l'aggiunta di fondente, mantenendo così le buone proprietà piezoelettriche del materiale di base originale, il che è di grande importanza per il risparmio energetico e la riduzione dell'inquinamento ambientale.