低温液相焼結PZT圧電セラミックスの研究と技術の進歩

チタン酸ジルコン酸鉛セラミックス (PZT) は、さまざまな分野で広く使用されています。 分極圧電セラミックトランスデューサ。 優れた特性を備えたただし、PZT を含む圧電セラミックスの焼結温度は約 1200 °C と比較的高くなります。酸化鉛（PbO）の酸化温度は約800℃です。そのため、焼結工程中にPbOが揮発しやすく、環境汚染を引き起こすだけでなく、実際のセラミックス材料の組成が設計値からずれてしまい、電気特性の劣化を引き起こす可能性があります。さらに、表面実装技術 (SMT) の発展により、多層チップデバイスは、その高効率、小型化、および機能統合により市場で好まれています。しかしながら、圧電セラミックの焼結温度が高いため、セラミック材料と電極材料の同時焼成を達成することが困難になる。焼結温度を下げることでプロセス改善ができれば、PbOの揮発を抑制して材料特性の確保、環境汚染の低減、装置の長寿命化などに重要な技術的・経済的価値があるだけでなく、PtやPdをAgやNiなどに置き換えることもできます。貴金属を内部電極として用いて積層チップ圧電部品を一括焼成することで、装置の大幅なコストダウンと省エネルギー化が図れます。さらに、低温焼結に関する徹底的な研究は、焼結理論の発展を促進することができます。現在、セラミックスの焼結温度を下げる方法としては、焼結法、ミリング法、液相焼結法などが知られている。このうち、液相焼結法は最も単純であり、低コストであり、工業的に利用しやすい。液相焼結による PZT 圧電セラミックスの低温焼結の研究は、国内外の圧電産業でホットスポットの 1 つです。

1 液相焼結の仕組み

PZT圧電母材にBi2O3、B2O3、SiO2、V2O5などの低融点の焼結助剤を焼結させることにより、物質を添加することでPZTに固溶し、PZTを焼結させることができます。 圧電トランスデューサ 圧電セラミックは 液相に属します。焼結プロセス中に発生する液相は素地粒子を濡らし、粒子間の細孔を埋めるため、粒子間に表面張力が生じます。表面張力の大きさは、液相の性質、量、粒子サイズに関係します。表面張力の作用により、粒子は流れて元の配置を変更し、再配置して緑色の粒子間をより密に充填します。同時に、液相の存在により、液相と固相の界面で物質移動プロセスが進行し、小さな粒子は徐々に溶解して消滅し、大きな粒子は継続的に成長し、最終的には均一で緻密な磁器になります。液相の存在により、粉末粒子の表面の原子が活性化されます。各種低融点焼結助剤により形成される低融点ガラス相は、各粒子の接触界面に沿って分布しており、原子は液相拡散により輸送され、拡散係数が大きいため、焼結プロセスが大幅に促進され、液相が生じない場合に比べて焼結温度を高くすることができる。これを軽減するには、液相焼結用の添加剤として次の 3 つの要件を満たす必要があります。(1) 液相は焼結温度で出現する必要があります。 (2) 固体に対する濡れ性が良好。 (3) 液相中の固相。それには顕著な溶解性があります。

液相焼結を実現する 2 つの方法

PZT 圧電セラミックスの最大の利点は、さまざまなニーズに合わせて組成を変更したり、外部条件を変更したりすることで、幅広い電気物理特性に調整できることです。他の物質を使用して PZT セラミックの低温焼結を実現すると、焼結温度が低下するだけでなく、その電気的特性も最適化されます。また、液相低温焼結は従来の固相法で実現でき、プロセスが簡単で工業化が可能である。液相焼結は主に3つの方法で行われます。(1) 固形物を焼結体に固溶させる。 （２）添加剤は焼結体と液相を形成する。（３）添加剤は焼結体と遷移液相を形成する。

3.1 焼結体に添加して固溶体を形成する

混合物が焼結相の粒径、圧電結晶形、電気代に近い場合、相互に溶解して固溶体を形成することができ、これにより主結晶相が格子歪みを引き起こし、欠陥が増加し、一部の構造要素が非平衡状態になり、エネルギーが大きくて便利です。焼結を促進するために移動します。

2.2 焼結体に物質を添加すると液相が形成される

液相焼結は、系の共晶点を低くするための添加剤の添加によるものです。温度は従来の焼結温度よりも大幅に低くなります。 ピエゾラウンドディスクトランスデューサー。液相は焼結の初期段階で形成されます。液相焼結における粒子の再配列と接触の強化により、粒界を強化することができます。この移動度は、細孔が十分に排出されるようなものであり、それによって焼結の緻密化を促進し、焼結温度を下げるという目的を達成する。ただし、低融点ガラスや酸化物の添加により第二相が導入され、第二相が多すぎると必然的にセラミックの誘電率が大幅に低下し、誘電損失tanδの増加に注意する必要があります。

2.3 添加物と焼結体は遷移液相を形成します。

圧電セラミックスが焼結の初期段階で液相を形成でき、その液相の組成が高温で揮発または主結晶相格子に再侵入できる場合、ドーピング修飾として機能できます。このような低融点添加剤は、焼結温度を大幅に下げるだけでなく、フラックスの添加による二次相の形成を回避し、それによって元の基材の良好な圧電特性を維持することができ、これはエネルギーの節約と環境汚染の削減にとって非常に重要です。