Badania i postęp w technikach niskotemperaturowego spiekania w fazie ciekłej ceramiki piezoelektrycznej PZT

Ceramika z cyrkonianu ołowiu i tytanianu ołowiu (PZT) jest szeroko stosowana w spolaryzowany piezoelektryczny przetwornik ceramiczny ze względu na ich doskonałe właściwości. Jednakże ceramika piezoelektryczna zawierająca PZT ma stosunkowo wysoką temperaturę spiekania, wynoszącą około 1200°C. Temperatura utleniania tlenku ołowiu (PbO) wynosi około 800°C. Dlatego w procesie spiekania łatwo jest spowodować ulatnianie się PbO, co nie tylko powoduje zanieczyszczenie środowiska, ale także powoduje, że rzeczywisty skład materiału ceramicznego odbiega od zaprojektowanej receptury, co skutkuje pogorszeniem właściwości elektrycznych. Ponadto wraz z rozwojem technologii montażu powierzchniowego (SMT) rynek preferuje wielowarstwowe urządzenia z chipami ze względu na ich wysoką wydajność, miniaturyzację i integrację funkcjonalną. Jednakże wysoka temperatura spiekania ceramiki piezoelektrycznej utrudnia osiągnięcie współspalania materiału ceramicznego i materiału elektrody. Jeśli ulepszenie procesu można osiągnąć poprzez obniżenie temperatury spiekania, ma to nie tylko ważną wartość techniczną i ekonomiczną w zakresie tłumienia ulatniania się PbO, co zapewnia właściwości materiału, zmniejszenie zanieczyszczenia środowiska, przedłużenie żywotności sprzętu itp., ale także zastąpienie Pt i Pd Ag, Ni itp. Metal szlachetny jest używany jako elektroda wewnętrzna do wypalania wielowarstwowego elementu piezoelektrycznego w postaci chipa, co znacznie zmniejsza koszt urządzenia i oszczędza energię. Ponadto dogłębne badania nad spiekaniem w niskiej temperaturze mogą przyczynić się do rozwoju teorii spiekania. Obecnie znane są technologiczne metody obniżania temperatury spiekania ceramiki, obejmujące proces spiekania, proces mielenia i metodę spiekania w fazie ciekłej. Wśród nich proces spiekania w fazie ciekłej jest najprostszy, najniższy koszt i jest wygodny do zastosowań przemysłowych. Jest to jeden z gorących punktów w branży piezoelektrycznej w kraju i za granicą, w którym bada się niskotemperaturowe spiekanie ceramiki piezoelektrycznej PZT metodą spiekania w fazie ciekłej.

1 Mechanizm spiekania w fazie ciekłej

Poprzez spiekanie niskotopliwego środka wspomagającego spiekanie, takiego jak Bi2O3, B2O3, SiO2, V2O5 itp. w piezoelektrycznym materiale bazowym PZT, dodanie substancji umożliwia utworzenie stałego roztworu z PZT, spiekanie PZT Przetwornik piezoelektryczny, ceramika piezoelektryczna należy do fazy ciekłej. Faza ciekła powstająca podczas procesu spiekania zwilża cząstki surowego ciała i wypełnia pory pomiędzy cząstkami, co powoduje powstanie napięcia powierzchniowego pomiędzy cząstkami. Wielkość napięcia powierzchniowego jest związana z rodzajem, ilością i wielkością cząstek fazy ciekłej. Pod wpływem napięcia powierzchniowego cząstki przepływają i zmieniają pierwotny układ oraz przestawiają je, aby uzyskać ściślejsze upakowanie pomiędzy zielonymi cząstkami. Jednocześnie, ze względu na obecność fazy ciekłej, proces przenoszenia masy będzie przebiegał na styku fazy ciekłej i fazy stałej, małe cząstki stopniowo rozpuszczają się i znikają, a duże cząstki stale rosną i ostatecznie stają się jednolitą i gęstą porcelaną. Obecność fazy ciekłej aktywuje atomy na powierzchni cząstek proszku. Niskotopliwa faza szklana utworzona przez różne niskotopliwe środki spiekające jest rozprowadzana wzdłuż powierzchni styku każdej cząstki, a atomy są transportowane przez dyfuzję w fazie ciekłej, a współczynnik dyfuzji jest duży, dzięki czemu proces spiekania jest znacznie przyspieszony, a temperatura spiekania może być wyższa niż w przypadku, gdy faza ciekła nie występuje. Aby to zmniejszyć, dodatki do spiekania w fazie ciekłej muszą spełniać trzy następujące wymagania: (1) faza ciekła powinna pojawiać się w temperaturze spiekania; (2) dobra zwilżalność ciał stałych; (3) faza stała w fazie ciekłej. Występuje w nim znaczna rozpuszczalność.

2 Sposoby osiągnięcia spiekania w fazie ciekłej

Największą zaletą ceramiki piezoelektrycznej PZT jest to, że można ją dostosować do szerokiego zakresu właściwości elektrofizycznych poprzez zmianę składu lub zmianę warunków zewnętrznych w celu dostosowania do różnych potrzeb. Zastosowanie innych substancji do niskotemperaturowego spiekania ceramiki PZT nie tylko obniża temperaturę spiekania, ale także optymalizuje jej właściwości elektryczne. Ponadto spiekanie w fazie ciekłej w niskiej temperaturze można zrealizować konwencjonalną metodą w fazie stałej, a proces jest prosty i uprzemysłowiony. Spiekanie w fazie ciekłej odbywa się głównie na trzy sposoby: (1) substancja stała jest formowana w roztwór stały wraz ze spiekaną bryłą; (2) dodatek tworzy ze spiekaną częścią fazę ciekłą (3) dodatek tworzy przejściową fazę ciekłą ze spiekaną częścią.

3.1 Dodatek do spieku w celu utworzenia stałego roztworu

Gdy domieszka jest zbliżona do wielkości cząstek, postaci kryształów piezoelektrycznych i ceny energii elektrycznej fazy spiekania, może być wzajemnie rozpuszczalna, tworząc roztwór stały, co powoduje zniekształcenie sieci głównej fazy krystalicznej i zwiększenie defektów, tak że niektóre elementy konstrukcyjne znajdują się w stanie nierównowagi, co ma dużą energię i jest wygodne. Przejdź, aby promować spiekanie.

2.2 Dodanie substancji do spieku powoduje utworzenie fazy ciekłej

Spiekanie w fazie ciekłej polega na dodaniu dodatków, dzięki którym układ ma niski punkt eutektyczny. Temperatura jest znacznie niższa niż tradycyjna temperatura spiekania Przetwornik piezoelektryczny z okrągłym dyskiem . Faza ciekła powstaje w początkowej fazie spiekania. Granicę ziaren można ulepszyć poprzez przegrupowanie ziaren i wzmocnienie kontaktu podczas spiekania w fazie ciekłej. Mobilność jest taka, że ​​pory są dostatecznie rozładowane, co sprzyja zagęszczeniu spiekania i osiąga cel polegający na obniżeniu temperatury spiekania. Jednakże dodatek niskotopliwego szkła lub tlenku wprowadza drugą fazę, a obecność zbyt dużej ilości drugiej fazy nieuchronnie prowadzi do znacznego zmniejszenia stałej dielektrycznej ceramiki i należy odnotować wzrost strat dielektrycznych tg δ.

2.3 Dodatek i spiekana bryła tworzą przejściową fazę ciekłą.

Jeżeli ceramika piezoelektryczna może tworzyć fazę ciekłą na początkowym etapie spiekania, a skład fazy ciekłej może ulatniać się lub ponownie przedostawać do głównej sieci fazy krystalicznej w wysokiej temperaturze, może to działać jako modyfikacja domieszkująca. Takie dodatki o niskiej temperaturze topnienia mogą nie tylko znacznie obniżyć temperaturę spiekania, ale także uniknąć tworzenia się faz wtórnych poprzez dodanie topnika, utrzymując w ten sposób dobre właściwości piezoelektryczne pierwotnego materiału bazowego, co ma ogromne znaczenie dla oszczędności energii i zmniejszenia zanieczyszczenia środowiska.