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PZT 圧電セラミックスは、高いキュリー温度、強力な圧電性、容易なドーピング修飾、良好な安定性という特徴を備えています。 1960 年代以来、注目と研究が盛んに行われ、圧電セラミックスの分野を独占してきました。 PZT 圧電セラミックスの製造プロセスに関しては、PzT 粉末の合成と緻密化焼結が PzT 製品の品質に最も大きな影響を与えます。 PzT超微粉末には、微細な粒子サイズ、大きな比表面積、高い反応性という利点があり、焼結温度を下げ、鉛の揮発を減らし、正確な化学量論を確保し、PZT製品の性能を向上させることができます。したがって、超微粒子 PZT 粉末の調製は、 水中ピエゾ管。電気セラミックス研究の焦点。近年、超微粒子 PZT 粉末の調製を研究するために多くの新しい方法が開発されました。固相法には、従来の相相法のほかに、マイクロ波照射法、機械化学法、反応焼結法などがあります。液相法は、低い合成温度、簡単な装置、簡単な操作、低コストなどの利点があり、ゾルゲル法、水熱法、沈殿法などのPZT粉末の調製に使用されています。しかし、粉末の凝集、化学量論、製品特性の容易な経時変化など、PZT圧電セラミックスの調製と性能にはまだ多くの欠点があります。上記の問題の理由と研究これらの問題の解決の進捗状況を以下に説明し、Pzt 圧電セラミックスの開発に対するいくつかの提案を提案します。
1 粉末の凝集
粉体の凝集には一般に軟凝集と硬凝集があります。軟凝集は、粉末粒子のサイズが小さくなるにつれて、粒子間のファンデルワールス力、静電引力、毛管力の強化と相互作用によって形成されます。硬い凝集は、グループ間の化学結合によるものです。この作用により架橋酸素結合が形成され、粒子間の架橋酸素鎖が相互作用して形成されます。凝集の問題は、超微粒子 PzT 粉末の優れた性能に影響を与える最も重要な要素であり、PZT 製品の品質にも大きく影響します。これは、ＰＺＴ材料が機能性材料であるためである。合成粉末の基本要件は、高純度、超微細、均一な粒度分布、良好な分散、化学量論的精度、および均一なドーピングです。加えて。 PZT ピエゾ セラミック パイプのビスマス合成で凝集が発生すると、かさ密度の低下と不均一な形態が発生し、多数の細孔が導入されて不均一な微細構造が生じ、焼結体の密度に重大な影響を及ぼし、二次焼結プロセスが発生する可能性もあります。二次再結晶化により、PZT 製品の圧電特性と熱電特性が低下します。したがって、超微粒子 PzT 粉末の合成における凝集を軽減または回避することは、高性能 PZT 圧電セラミックを調製するための前提条件です。 PZT粉末の製造における凝集には、ソフト凝集とハード凝集の2つの形態が含まれます。凝集メカニズムも粉末の調製方法によって異なります。 PZT粉末を合成するための伝統的な固相法は、ボールミル粉砕の繰り返しと高い焼成温度を特徴としています。ボールミル粉砕を繰り返すと不純物が混入するだけでなく、粉砕しすぎると凝集が形成されます。特に機械エネルギーを主に利用して開発されたメカノケミカル法はPZT相合成を完了し、ボールタイムは空のように長いです。不純物が入りやすくなり、粉体の凝集が起こりやすくなります。焼成温度が高すぎると、粉末の凝集が生じることもあります。 PZT粉末の合成には液相法が用いられます。固相粒子は液相中で形成されるため、一般に核生成、成長、合体、凝集が起こります。したがって、液相中で形成される固相粒子である場合には、凝集構造が形成される可能性がある。ブラウン運動により、粒子は互いに接近します。粒子間の運動エネルギーが凝集体を形成する障壁よりも大きい場合、動きの作用下で柔らかい粒子間で粒子は互いに再結合します。第二に、固液分離のプロセスでは、液相の最後の部分が除去され、固相粒子は表面張力によって互いに近づけられます。特に、水を溶媒として使用した PZT 粉末の合成。最終的に粒子の間に残る微量の水は、水素によって粒子と粒子を強く結びつけます。さらに、調製されたＰＺＴ粉末前駆体は一般に５００〜７００℃で焼成されるが、これも粉末の凝集を引き起こす可能性があり、形成された凝集体が局所的な焼結により凝集構造の形成を悪化させることもある。 P ことがわかります。ZT 粉末が共沈法によって調製されている共沈、粒子の成長から沈殿物の洗浄、乾燥、焼成までの各段階では、粒子の成長と凝集体の形成が生じる可能性があります。凝集の形成に応じて、超微粒子 PZT 粉末の調製における粒子の成長と凝集を低減または回避することは、次の側面から考慮できます。1 つは核生成と成長プロセスの分離、核生成の促進、成長の制御です。大きな核生成速度と成長速度を確保すること。つまり、PZT 粉末前駆体が高度の過冷却または高い過飽和の下で生成されることを保証します。 2つ目はPZT粉末の凝集防止です。これには、粉末調製中の凝集の形成を抑制する方法と、凝集後に凝集を除去する方法が含まれます。粉末調製時の凝集を抑制する方法としては、(1) 適切な反応条件（PH 値、反応濃度、温度など）を選択する。 (2) 粉末合成または乾燥時の特別な処理。粉末合成プロセスを含む界面活性剤を添加し、有機溶媒で濾過するため、界面活性剤の表面張力は低くなります。したがって、凝集度がより軽い粉末前駆体を得ることができる。乾燥工程には、主に凍結乾燥、超臨界乾燥、遠赤外線乾燥などの特殊な乾燥プロセスが採用されています。基本原理は表面張力の大きな気液を除去することです。界面または粒子は固定されており、互いに近づくことはできません。例えば、凍結乾燥は、固相粒子が原料液体媒体中で凍結しているため、負圧下で凍結した原料液体媒体を固相に昇華させるために、低温および負圧を使用することである。また、粒子間の毛細管には表面張力の大きな気液界面が存在しないため、液橋による激しい凝集の問題も回避されます。
(3) 最適な焼成条件を選択するか、600 ℃で従来の高温電気炉に代わる、熱伝達のないマイクロ波加熱、高いエネルギー効率、その他の特性の使用などの特別なプロセスを使用します。 c. 単一成分の PZT 粉末が得られました。凝集物形成後の凝集を除去する方法としては、析出・沈降、粉砕・超音波処理、分散剤の添加等が挙げられる。例えば、Wang Xicheng は、金属アルコキシドと硝酸塩を原料として使用し、共沈生成、洗浄、および分散液の選択条件を厳密に制御し、凍結乾燥技術を採用し、その後合理的な焼成プロセスを経て、硬い凝集のない均一な組成を形成します。ボディ、単一ペロブスカイト相、ミクロンサイズの PzT (52/48) 微粉末の高い焼結活性は、 冷間静水圧プレスによって形成されます。 (cIP) 技術により、800℃で緻密化焼結を実現でき、相対密度が達成されます。
PZT 製品の品質に対する化学量論の影響には、主に次の側面が含まれます。まず、PZT 圧電セラミックの焼結プロセス中の鉛の揮発により、コンポーネントが正確な化学量論から逸脱し、製品の性能が低下します。一方、コンポーネントの zr/ 。 Ti の変動は PzT 製品の性能の安定性に影響を与えます。鉛の揮発は、一般に、PZT 圧電セラミックの高い焼結温度が原因であると考えられています。酸化鉛は高温環境下では飽和蒸気圧が比較的高く、鉛の揮発を引き起こします。飽和蒸気圧が高いほど鉛は揮発しやすくなり、zr/Tiの増加に伴いPZT圧電セラミックスの焼結温度が上昇し、酸化鉛の飽和蒸気圧は徐々に増加します。鉛の損失はさらに深刻になるため、高zr/Ti PzT圧電セラミックスの焼結はより困難になり、焼結中の酸素分圧が低すぎると鉛の揮発が発生します。従来の固相法で製造されたＰＺＴ材料は、合成粉末の活性が低いため、焼結温度は一般に１２００℃である。多量の鉛の揮発を起こしやすく、製品性能が高くないため、固相法によるPZT製品は応用分野の高性能要求を満たすことが困難です。現在、国内外の材料研究者が鉛揮発に対してとっている主な対策は以下の通りである。まず、粉末合成時に過剰な鉛を添加する。余分な鉛が添加されます。焼結の初期段階では、液相の形成により 反応物の接触面積が増加し、ジルコニウム、チタン、ドーパントの拡散速度が加速され、製品の均一性が向上します。形成された液相は、溶解と沈殿の拡散運動を加速することもでき、粒子の再配列と最密充填を促進し、製品の緻密化を加速します。しかし、鉛の添加量が多すぎると、一方では余分な鉛が結晶に析出し、製品の性能が低下してしまいます。一方、PzT成分中のチタンの局所濃度が高くなりすぎやすくなり、液相酸化鉛中の溶解度が乾燥zrOzより大きくなります。溶解性により、焼結後の PZT 製品の局所的なチタン含有量が 特に粒界に高くなります。これにより、製品の微細構造の均一性に影響が生じ、製品の性能が低下します。過剰な鉛の添加は、PZT 圧電セラミック部品の機械的特性に影響を与えます。製品の鉛が過剰である場合、破壊モードは粒内破壊になります。第二に、製品の焼結プロセスでは、鉛の揮発メカニズムに従って、合理的な焼結システムと特別な対策を採用しています。焼結雰囲気シートや二層ビスマス技術を加えて焼結し、焼結雰囲気を酸化雰囲気に制御する方法が広く用いられています。これにより鉛の揮発が抑えられ、製品の黒化が防止されます。還元雰囲気下では、Ti は容易に T1 ̈ に還元され 、生成物が黒ずみます。
3 つ目は、適切な量のドーパントを添加することです。ドーピングにより鉛の揮発が減少し、一方で PzT 製品の性能が向上します。 4つ目は、PZT圧電セラミックスを緻密化し、鉛よりも低い温度で焼結できるように、高活性PZT粉末の合成をさらに研究することである。さらに、鉛の揮発のメカニズムはさらに研究される必要があります。 PzT粉末の水熱合成における酸化鉛の揮発温度は924.71℃である。 c、および粒子間の反応温度 ̈ 。 ２６℃における固相合成Ｐ ＺＴ 粉末粒子間の反応温度は ４７℃であった。 ｃ．酸化鉛の酸化温度は29 ℃です 。 Ｐ ＺＴ システムの最低共晶温度は８３８℃である。 ｃ．鉛の揮発を低減し、PZT 製品の性能を向上させるには、鉛の揮発メカニズムと PZT 粉末の調製方法に従って合理的なプロセス措置を講じる必要があることがわかります。
5 ドーピング
研究により、PZT 製品の性能は密接に関連していることが示されています。現在、PZT 材料の研究では、主に zr/Ti が 53/47 および 95/5 の範囲に集中しています。しかし、PZT 製品の性能を向上させるために異なる zr/T- のみに依存しても、さまざまな分野の PZT 製品の要件を満たすことはできません。 zr/Tlに基づいて適切なドーパント量を選択して製品を改善することも必要です。 pzt製品の性能安定性に対するzr/Tiの変動の影響を軽減しながら。添加剤は主結晶格子内に相溶することができ、粒界に第二相の形で析出することができる。相溶すると、添加量に応じて主結晶相の性能や構造が変化する。相互に溶解しない場合。第２相は粒界に影響を及ぼし、結晶粒間の結合力や粒界特性に影響を与える。ドーピングの主な効果には、空孔の形成、粒子成長の阻害、ウシ液相の形成、および焼結温度範囲の拡大が含まれます。同時に、PZT圧電セラミックにおけるドーパントの役割に応じて、ドナードーピング、アクセプタードーピング、および可変イオン化合物ドーピングの3つのタイプに分けることができます。 PZT 圧電セラミックスのドーピング修飾の研究では、La、Mn2-、および Nb が大量に研究されています。固相法によって調製されたPzT65/35材料に対するドープNbzosの影響を研究しました。ニオブの添加により緻密化と焼結が大幅に促進され、NbO によるニオブ含有量の増加に伴いニオブの成長が抑制されることがわかりました。八面体静電作用の強化により、PzT の菱形単位胞の歪みが生じます。表面では単位胞が伸びやすいため分極しやすく、耐老化性の向上にも貢献します。 PZT 材料の「溶解度」の限界は 7 mol% です。量が7.未満の場合、アルミニウムとペロブスカイト結晶格子は完全に相互に溶解します。この時点で、生成物は完全にペロブスカイト相になります。ドナー不純物の特性を示します。 7 モルを超える量で添加すると、過剰なルテニウムが鉛またはチタンと反応し、その結果、蛍石相などの第 2 相が生成され、製品の誘電特性および圧電特性が低下します。 PZT 材料の微細構造と圧電特性、および PZT 材料中のマンガンの価数状態に対する影響は、EsR によって測定されました。結果は、Pz-ブチル材料中のマンガンの溶解度が主にMnおよびMn5+の形であることを示しています。 1.5nlol'、マンガン含有の場合
4. 老化
経年変化とは、PZT 製品の電気的性能パラメータが時間とともに変化する特性を指します。 PZT 圧電セラミックスは ABO に属することがわかっています。ペロブスカイト構造は、立方晶、正方晶、菱面体晶の 3 つの結晶相から構成されます。 zr/T1 によれば、異なる結晶相が生成され、活性化されたカチオンはタイプ A イオンになります。キュリー温度以下では、A 型または B 型のイオンが特定の位置に入り、自発分極を生じてドメインを形成しますが、隣接するドメイン間の角度は 90 度または 180 度しかありません。これは、強誘電体ドメイン構造の自発分極により、配向が強誘電体のプロトタイプ構造における強誘電分極軸の軸と等価になることが可能になります。同時に、強誘電体ドメインの構造も結晶の自発歪みによって制限されます。位相は、磁壁内の隣接するドメインによって生成される自発歪みが両立できることを保証する必要があるため、F の隣接するドメインの角度は 90 度または 180 度のみにすることができます。同時に、焼結された圧電セラミック製品は強い直流にさらされる必要があります。場の作用により、各ドメインの自発分極が強制的に揃えられ、残留分極が発生し、圧電効果を発現します。分極PZT 圧電セラミックディスクは 、分極電場によりセル内の乱れを強制的に追跡します。 90度のスラックと180度のドメインステアリングの配列、規則的な配列、ユニットセル内の自発分極軸は非自発分極軸より少し長く、ひずみ井戸は回転時に大きな内部応力を発生します。外部電場を除去した後、この内部応力によりユニットセルの内部アンバランスが引き起こされます。そしてより多くの内部エネルギーを蓄え、それが回転した90につながります。新しいドメインは分極前の乱れた配列に戻り、内部応力が徐々に解放されます。したがって、残留分極はこれらに関係します。無秩序で徐々に減少すると、それに応じて誘電パラメータと圧電パラメータが変化します。新しいドメインの乱れが老化メカニズムの根源であることがわかります。高齢化の法則には一般に、線形、非線形、段階的が含まれます。線形に近いものには 3 つのタイプがあります。 PZT 製品の経年劣化に影響を与える要因には、外部要因と内部要因があります。外部要因は使用環境に関係します。温度や湿度などの内部要因は、ドメイン構造や高電界によるドメインの動きと密接に関係しています。分極反転プロセスは、磁壁の移動と新たな磁壁の生成と移動によって完了します。ドメイン構造は、焼結後の粒径や粒界などの微細構造と密接に関係しています。粒径が小さいと、ドメイン壁の大きさが同程度であると、強誘電体ドメイン構造の発達やドメイン壁の移動が妨げられます。具体的には、粒径が大きくなるにつれて粒界の体積分率が減少し、粒界と磁壁との結合が減少する。ドメインでは配向がより困難になり、ドメイン壁の移動が大幅に抑制されるため、粒子サイズの増加に伴って残留分極と誘電率が増加し、抗電界強度が減少します。粒界の厚さと特性もドメイン構造に影響を与えます。粒界は粒界を横切るドメインの発達に有利であり、製品の圧電性を向上させます。
