Onderzoek en vooruitgang in technieken voor het sinteren van PZT-piëzo-elektrische keramiek bij lage temperatuur in de vloeibare fase

Loodzirkonaattitanaatkeramiek (PZT) wordt veel gebruikt gepolariseerde piëzo-elektrische keramische transducer vanwege hun uitstekende eigenschappen. De piëzo-elektrische keramiek die PZT bevat, heeft echter een relatief hoge sintertemperatuur van ongeveer 1200 °C. De oxidatietemperatuur van loodoxide (PbO) bedraagt ​​ongeveer 800 °C. Daarom is het gemakkelijk om de vervluchtiging van PbO te veroorzaken tijdens het sinterproces, wat niet alleen milieuvervuiling veroorzaakt, maar er ook voor zorgt dat de feitelijke samenstelling van het keramische materiaal afwijkt van de ontworpen formulering, wat resulteert in verslechtering van de elektrische eigenschappen. Bovendien krijgen meerlaagse chipapparaten, met de ontwikkeling van Surface Mount Technology (SMT), de voorkeur van de markt vanwege hun hoge efficiëntie, miniaturisatie en functionele integratie. De hoge sintertemperatuur van het piëzo-elektrische keramiek maakt het echter moeilijk om een ​​gelijktijdig bakken van het keramische materiaal en het elektrodemateriaal te bereiken. Als er procesverbetering kan worden bereikt door de sintertemperatuur te verlagen, heeft dit niet alleen een belangrijke technische en economische waarde bij het onderdrukken van de vervluchtiging van PbO, waardoor de materiaaleigenschappen worden gewaarborgd, de milieuvervuiling wordt verminderd, de levensduur van de apparatuur wordt verlengd, enz., maar ook Pt en Pd worden vervangen door Ag, Ni, enz. Het edele metaal wordt gebruikt als de binnenelektrode om de meerlaagse piëzo-elektrische chipcomponent tegelijk af te vuren, waardoor de kosten van het apparaat aanzienlijk worden verlaagd en energie wordt bespaard. Bovendien kan diepgaand onderzoek naar sinteren bij lage temperaturen de ontwikkeling van de sintertheorie bevorderen. Momenteel omvatten de procesmethoden voor het verlagen van de sintertemperatuur van keramiek het sinterproces, het maalproces en de methode van sinteren in de vloeibare fase. Onder hen is het sinterproces in de vloeibare fase het eenvoudigste, de laagste kosten en geschikt voor industriële toepassing. Het is een van de hotspots in de piëzo-elektrische industrie in binnen- en buitenland om het sinteren bij lage temperatuur van PZT-piëzo-elektrische keramiek door sinteren in de vloeibare fase te bestuderen.

1 Mechanisme van sinteren in de vloeibare fase

Door een laagsmeltend sinterhulpmiddel zoals Bi2O3, B2O3, SiO2, V2O5, etc. te sinteren in een PZT-piëzo-elektrisch basismateriaal, kan het toevoegen van een stof een vaste oplossing vormen met PZT, het sinteren van PZT piëzo-transducer piëzo-elektrisch keramiek behoort tot een vloeibare fase. De vloeibare fase die optreedt tijdens het sinterproces zal de groene lichaamsdeeltjes bevochtigen en de poriën tussen de deeltjes vullen, waardoor een oppervlaktespanning tussen de deeltjes ontstaat. De grootte van de oppervlaktespanning houdt verband met de aard, hoeveelheid en deeltjesgrootte van de vloeibare fase. Onder invloed van de oppervlaktespanning gaan de deeltjes stromen en veranderen de oorspronkelijke opstelling en herschikken ze om een ​​nauwere pakking tussen de groene deeltjes te verkrijgen. Tegelijkertijd zal, vanwege de aanwezigheid van de vloeibare fase, het massaoverdrachtsproces plaatsvinden op het grensvlak tussen de vloeibare fase en de vaste fase, waarbij de kleine deeltjes geleidelijk oplossen om te verdwijnen, en de grote deeltjes continu groeien en uiteindelijk uniform en dicht porselein worden. De aanwezigheid van een vloeibare fase activeert de atomen op het oppervlak van de poederdeeltjes. De laagsmeltende glasfase gevormd door verschillende laagsmeltende sinterhulpmiddelen wordt verdeeld langs het contactoppervlak van elk deeltje, en de atomen worden getransporteerd door vloeistoffasediffusie, en de diffusiecoëfficiënt is groot, zodat het sinterproces aanzienlijk wordt versneld, en de sintertemperatuur kan groter worden gemaakt dan wanneer de vloeibare fase niet optreedt. Om dit te verminderen moet aan de volgende drie vereisten worden voldaan als additieven voor sinteren in de vloeibare fase: (1) de vloeibare fase moet verschijnen bij de sintertemperatuur; (2) goede bevochtigbaarheid voor vaste stoffen; (3) vaste fase in vloeibare fase. Er zit een aanzienlijke oplosbaarheid in.

2 manieren om sinteren in de vloeibare fase te bereiken

Het grootste voordeel van PZT-piëzo-elektrische keramiek is dat ze kunnen worden aangepast aan een breed scala aan elektrofysische eigenschappen door de samenstelling te veranderen of de externe omstandigheden te veranderen om aan verschillende behoeften te voldoen. Het gebruik van andere stoffen om PZT-keramiek bij lage temperatuur te sinteren verlaagt niet alleen de sintertemperatuur, maar optimaliseert ook de elektrische eigenschappen ervan. Bovendien kan het sinteren bij lage temperatuur in de vloeibare fase worden gerealiseerd met de conventionele vaste fase-methode, en is het proces eenvoudig en geïndustrialiseerd. Het sinteren in de vloeibare fase wordt hoofdzakelijk op drie manieren uitgevoerd: (1) de vaste stof wordt met het gesinterde lichaam tot een vaste oplossing gevormd; (2) het additief vormt een vloeibare fase met het sinterlichaam. (3) het additief vormt een vloeibare overgangsfase met het sinterlichaam.

3.1 Toevoeging aan het gesinterde lichaam om een ​​vaste oplossing te vormen

Wanneer het mengsel dicht bij de deeltjesgrootte, de piëzo-kristalvorm en de elektriciteitsprijs van de sinterfase ligt, kan het wederzijds oplosbaar zijn om een ​​vaste oplossing te vormen, waardoor de hoofdkristalfase roostervervormd wordt en de defecten toenemen, zodat sommige structurele elementen zich in een niet-evenwichtstoestand bevinden, wat een grote energie heeft en handig is. Verplaats om het sinteren te bevorderen.

2.2 Door de toevoeging van de stof aan het sinterlichaam ontstaat een vloeibare fase

Sinteren in de vloeibare fase is het gevolg van de toevoeging van additieven om ervoor te zorgen dat het systeem een ​​laag eutectisch punt heeft. De temperatuur is aanzienlijk lager dan de traditionele sintertemperatuur van de piëzo-ronde schijftransducer . De vloeibare fase wordt gevormd in de beginfase van het sinteren. De korrelgrens kan worden verbeterd als gevolg van korrelherschikking en versterkend contact bij sinteren in de vloeibare fase. De mobiliteit is zodanig dat de poriën voldoende worden afgevoerd, waardoor de verdichting van het sinteren wordt bevorderd en het doel van het verlagen van de sintertemperatuur wordt bereikt. De toevoeging van een laagsmeltend glas of oxide introduceert echter een tweede fase, en de aanwezigheid van te veel tweede fase leidt onvermijdelijk tot een significante afname van de diëlektrische constante van het keramiek, en een toename van het diëlektrische verlies tan δ moet worden opgemerkt.

2. 3 De toevoeging en het sinterlichaam vormen een vloeibare overgangsfase.

Als de piëzo-keramiek een vloeibare fase kan vormen in de beginfase van het sinteren, en de samenstelling van de vloeibare fase bij hoge temperatuur kan verdampen of opnieuw in het hoofdkristalfaserooster terecht kan komen, kan het functioneren als een doteringsmodificatie. Dergelijke additieven met een laag smeltpunt kunnen niet alleen de sintertemperatuur aanzienlijk verlagen, maar ook de vorming van secundaire fasen vermijden door de toevoeging van vloeimiddel, waardoor de goede piëzo-elektrische eigenschappen van het oorspronkelijke basismateriaal behouden blijven, wat van groot belang is voor energiebesparing en vermindering van milieuvervuiling.