Mai multe probleme în prepararea ceramicii piezoelectrice PZT

Ceramica piezoelectrică PZT are caracteristicile unei temperaturi ridicate curie, piezoelectricitate puternică, modificare ușoară a dopajului și stabilitate bună. Din anii 1960, a fost un punct fierbinte de atenție și cercetare și a dominat domeniul ceramicii piezoelectrice. În ceea ce privește procesul de preparare a ceramicii piezoelectrice PZT, sinteza pulberilor Pzt și sinterizarea prin densificare au cea mai mare influență asupra calității produselor PzT. Pulberea ultrafină PzT are avantajele dimensiunii particulelor fine, suprafeței specifice mari și reactivitate ridicată, ceea ce poate reduce temperatura de sinterizare, reduce volatilizarea plumbului, asigură stoichiometria precisă și îmbunătăți performanța produselor PZT. Prin urmare, prepararea pulberii PZT ultrafină a devenit tub piezo subacvatic . Accentul cercetării ceramicii electrice. În ultimii ani, au fost dezvoltate multe metode noi pentru studiul preparării pulberilor PZT ultrafine. În plus față de metoda tradițională fază-fază, metoda fază solidă include metoda radiației cu microunde, portul metodei mecanice chimice și metoda de sinterizare cu reacție. Metoda în fază lichidă are avantajele unei temperaturi scăzute de sinteză, echipament simplu, operare ușoară, cost redus etc. și care a fost folosită pentru prepararea pulberii PZT, cum ar fi metoda sol-gel, metoda hidrotermală, metoda de precipitare'. Cu toate acestea, există încă multe deficiențe în prepararea și performanța ceramicii piezoelectrice PZT, incluzând proprietățile de aglomerare a pulberii și problemele de aglomerare ușoară a produsului de mai sus. iar progresul cercetării pentru rezolvarea acestor probleme sunt discutate după cum urmează, și sunt prezentate câteva sugestii pentru dezvoltarea ceramicii piezoelectrice Pzt.

1 aglomerare de pulbere

Aglomerarea de pulbere include în general aglomerarea moale și aglomerarea tare. Aglomerarea moale este formată prin îmbunătățirea și interacțiunea forței van der Waals, a atracției electrostatice și a forței capilare între particule, pe măsură ce dimensiunea particulelor de pulbere scade; aglomerarea dură se datorează legăturii legate chimic dintre grupuri. Acțiunea formează o legătură de oxigen de legătură, iar lanțul de oxigen de legătură dintre particule interacționează pentru a se forma. Problema aglomerării este cel mai important factor care afectează performanța excelentă a pulberii ultrafine PzT și, de asemenea, afectează foarte mult calitatea produselor PZT. Acest lucru se datorează faptului că materialele PZT sunt materiale funcționale. Cerințele de bază pentru pulberile sintetice sunt puritate ridicată, ultrafină, distribuție uniformă a dimensiunii particulelor, dispersie bună, precizie stoechiometrică și dopaj uniform. în plus. Apariția aglomerării în sinteza de bismut al țevilor piezo-ceramice PZT va duce la o scădere a densității în vrac și a morfologiei neuniforme și va introduce un număr mare de pori rezultând microstructura neuniformă, afectând grav densitatea corpului sinterizat și poate duce, de asemenea, la al doilea proces de sinterizare. Recristalizare secundară, reducând astfel proprietățile piezoelectrice și termoelectrice ale articolului PZT. Prin urmare, reducerea sau evitarea aglomerării în sinteza pulberii ultrafine de PzT este o condiție prealabilă pentru prepararea ceramicii piezoelectrice PZT de înaltă performanță. Aglomerarea în prepararea pulberii PZT include două forme de aglomerare moale și tare. Mecanismul de aglomerare este, de asemenea, diferit pentru diferite metode de preparare a pulberii. Metoda tradițională în fază solidă pentru sintetizarea pulberii PZT se caracterizează prin măcinare repetată cu bile și temperatură ridicată de calcinare. Măcinarea repetată cu bile nu numai că introduce impurități, dar și măcinarea excesivă duce la formarea de aglomerare. În special, metoda mecanochimică dezvoltată utilizează în principal energia mecanică completează sinteza fazei PZT, iar timpul mingii este la fel de lung ca cel al cerului. Este mai ușor să introduci impurități și să provoci aglomerarea pulberilor. Temperatura excesivă de calcinare poate provoca, de asemenea, aglomerarea pulberilor. Metoda fază lichidă este utilizată pentru a sintetiza pulberea PZT. Deoarece particulele în fază solidă se formează în faza lichidă, ele suferă în general nucleare, creștere, coalescență și aglomerare. Prin urmare, structura aglomerată poate fi formată atunci când este o particulă în fază solidă formată în faza lichidă. Din cauza mișcării browniene, particulele sunt aproape una de cealaltă. Când energia cinetică dintre particule este mai mare decât bariera care formează aglomeratul, între particulele fragede sub acțiunea mișcării, acestea se reunesc. În al doilea rând, în procesul de separare solid-lichid, cu eliminarea ultimei părți a fazei lichide, particulele din fază solidă sunt apropiate unele de altele datorită tensiunii superficiale. În special sinteza pulberii PZT cu apă ca solvent. Urmele de apă care rămân în cele din urmă între particule vor lega particulele și particulele strâns împreună prin hidrogen. În plus, precursorul de pulbere PZT preparat este în general calcinat la 500 până la 700° C, ceea ce poate provoca, de asemenea, aglomerarea pulberilor și poate determina, de asemenea, ca aglomeratele formate să agraveze formarea structurilor aglomerate datorită sinterizării locale. Se poate observa că pulberea P ZT este preparată prin metoda coprecipitării. Fiecare etapă de coprecipitare, creșterea cerealelor până la clătire, uscare și calcinare a precipitatului poate duce la creșterea particulelor și formarea de aglomerate. Conform formării aglomerării, reducerea sau evitarea creșterii particulelor și a aglomerării în prepararea pulberii ultrafină de PZT poate fi luată în considerare din următoarele aspecte: unul este separarea procesului de nucleare și creștere, promovarea nucleării, controlul creșterii; asigura o rată mare de nucleare zece viteze de creștere, adică să se asigure că precursorul de pulbere PZT este generat sub un grad mare de suprarăcire sau suprasaturare ridicată. Al doilea este prevenirea aglomerării pulberilor PZT. Aceasta include modul de inhibare a formării aglomerării în timpul preparării pulberii și modul de eliminare a aglomerației după aglomerare. Metoda de inhibare a aglomerării în timpul preparării pulberii include: (1) selectarea condiţiilor de reacţie rezonabile (cum ar fi valoarea pH-ului, concentraţia de reacţie şi temperatura, ); (2) tratament special în timpul sintezei sau uscării pulberii; inclusiv pentru procesul de sinteză a pulberii, surfactantul este adăugat și filtrat cu un solvent organic, iar tensiunea superficială a agentului tensioactiv este scăzută. Prin urmare, se poate obține un precursor de pulbere cu un grad mai ușor de aglomerare; Un proces special de uscare este adoptat în procesul de uscare, în principal uscare prin congelare, uscare supercritică și uscare în infraroșu îndepărtat, etc. Principiul de bază este eliminarea gaz-lichid cu o tensiune superficială mare. Interfața sau particulele sunt fixe și nu pot fi apropiate unele de altele. De exemplu, liofilizarea este de a utiliza o temperatură scăzută și o presiune negativă pentru a sublima mediul lichid brut congelat într-o fază solidă sub o presiune negativă, deoarece particulele din fază solidă sunt înghețate în mediul lichid brut. Și nu există o interfață gaz-lichid cu o tensiune de suprafață mare în capilarul dintre particule, evitând astfel problema aglomerării severe cauzate de puntea lichidă.

(3) Selectați cele mai bune condiții de calcinare sau utilizați procese speciale, cum ar fi utilizarea încălzirii cu microunde fără transfer de căldură, eficiență energetică ridicată și alte caracteristici pentru a înlocui cuptorul electric tradițional de înaltă temperatură, la 600. c .S-a obținut o pulbere PZT monocomponentă. Metodele de eliminare a aglomerării după formarea aglomeratelor sunt depunerea sau sedimentarea, măcinarea și tratarea cu ultrasunete, adăugarea unui dispersant și altele asemenea. De exemplu, Wang Xicheng folosește alcoxidul metalic și nitratul ca materii prime, controlează strict generarea coprecipitării, spălarea și condițiile de selecție ale dispersiei, adoptă tehnologia de uscare prin congelare și apoi trece printr-un proces rezonabil de calcinare pentru a forma o compoziție uniformă fără aglomerare tare.  prin tehnologia de presare izostatică la rece (cIP), sinterizarea prin densificare poate fi realizată la 800 ° c, iar densitatea sa relativă este atinsă.

Influența stoichiometriei stoichiometrice asupra calității produselor PZT include în principal aspecte z: În primul rând, volatilizarea plumbului în timpul procesului de sinterizare a ceramicii piezoelectrice PZT determină abaterea componentelor de la stoichiometria exactă și performanța produselor este redusă; pe de altă parte, zr/ din componente. Fluctuația Ti afectează stabilitatea performanței produsului PzT. Volatilizarea plumbului este în general considerată a fi datorată temperaturii ridicate de sinterizare a ceramicii piezoelectrice PZT. Oxidul de plumb are o presiune de vapori saturați relativ ridicată în mediu cu temperatură ridicată, ceea ce duce la volatilizarea plumbului. Cu cât presiunea vaporilor saturați este mai mare, cu atât plumbul se volatilizează mai ușor, iar zr odată cu creșterea /Ti, temperatura de sinterizare a ceramicii piezoelectrice PZT crește, iar presiunea de vapori saturati a oxidului de plumb crește treptat. Pierderea plumbului va deveni mai gravă, astfel încât ceramica piezoelectrică zr/Ti PzT ridicată este mai dificil de sinterizat, iar presiunea parțială a oxigenului prea scăzută în timpul sinterizării va duce la volatilizarea plumbului. Materialul PZT preparat prin metoda convențională în fază solidă are o temperatură de sinterizare de 1200°C din cauza activității scăzute a pulberii sintetice. Este ușor să provoace o cantitate mare de volatilizare a plumbului, performanța produsului nu este ridicată, astfel încât metoda în fază solidă a produselor PZT este dificil să îndeplinească cerințele de înaltă performanță ale domeniului de aplicare. În prezent, principalele măsuri luate de cercetătorii de materiale din țară și din străinătate pentru volatilizarea plumbului sunt următoarele: În primul rând, se adaugă plumb în exces la sinteza pulberii. Se adaugă plumb în exces. În etapa inițială a sinterizării, datorită formării fazei lichide, aria de contact a reactanților poate fi mărită, viteza de difuzie a zirconiului, titanului și dopanților poate fi accelerată, iar uniformitatea produsului poate fi îmbunătățită; faza lichidă formată poate, de asemenea, să accelereze mișcarea de difuzie a dizolvării și a precipitării, favorizantă rearanjare și împachetare strânsă a particulelor, accelerează densificarea produsului. Cu toate acestea, atunci când cantitatea de plumb adăugată este prea mare, plumbul în exces se va depune pe cristal pe de o parte, ceea ce va reduce performanța produsului. Pe de altă parte, va determina cu ușurință concentrația locală de titan în componenta PzT să fie prea mare, iar solubilitatea în oxidul de plumb în fază lichidă este mare zrOz uscat. Solubilitate, rezultând astfel un conținut local ridicat de titan al produsului PZT după sinterizare, în special la limita granulelor. Afectând astfel uniformitatea microstructurii produsului și reducând performanța produsului. Adăugarea de plumb în exces afectează proprietățile mecanice ale componentelor ceramice piezoelectrice PZT: atunci când produsul este excesiv de plumb, un mod de fractură este o fractură transgranulară. În al doilea rând, în procesul de sinterizare a produsului, în conformitate cu mecanismul de volatilizare a plumbului, se adoptă un sistem de sinterizare rezonabil și măsuri speciale. Este utilizat pe scară largă pentru a adăuga o foaie de atmosferă de sinterizare și o tehnică de bismut cu dublu strat la sinterizare și pentru a controla atmosfera de sinterizare să fie o atmosferă oxidantă. Acest lucru va reduce volatilizarea plumbului și va preveni înnegrirea produsului. Sub o atmosferă reducătoare, Ti este ușor redus la T1 ̈ pentru a întuneca produsul.

Al treilea este să adăugați o cantitate adecvată de dopanți. Dopajul reduce volatilizarea plumbului și, pe de altă parte, îmbunătățește performanța produsului PzT. Al patrulea este de a studia în continuare sinteza pulberii PZT cu activitate ridicată, astfel încât ceramica piezoelectrică PZT să poată fi densificată și sinterizată la o temperatură mai mică decât cea a plumbului. În plus, mecanismul de volatilizare a plumbului rămâne de studiat în continuare. Temperatura de volatilizare a oxidului de plumb în sinteza hidrotermală a pulberii de PzT este de 924,71. c, și temperatura de reacție dintre particule ̈ . Temperatura de reacție între particulele de pulbere P ZT de sinteză în fază solidă la 26 ° C a fost de 47. c. Temperatura de oxidare a oxidului de plumb este de 29 ° C; cea mai scăzută temperatură eutectică a sistemului P ZT este 838. c. Se poate observa că trebuie luate măsuri rezonabile de proces în conformitate cu mecanismul de volatilizare a plumbului și metoda de preparare a pulberii PZT pentru a reduce volatilizarea plumbului și a îmbunătăți performanța produselor PZT.

5 Dopaj

Studiile au arătat că performanța produsului PZT este strâns legată. În prezent, pentru studiul materialelor PZT, zr/Ti este concentrat în principal în intervalul 53/47 și 95/5. Cu toate acestea, bazarea exclusiv pe diferite zr/T- pentru a îmbunătăți performanța produselor PZT nu poate îndeplini cerințele produselor PZT în diferite domenii. De asemenea, este necesar să se îmbunătățească produsele prin selectarea unei cantități adecvate de dopanți pe baza zr/Tl. reducând în același timp efectul fluctuațiilor zr/Ti asupra stabilității performanței articolelor pzt. Aditivul poate fi reciproc solubil în rețeaua cristalină principală și poate fi precipitat în limita granulelor sub forma celei de-a doua faze. când este reciproc solubil, performanța sau structura fazei cristaline principale poate fi modificată în funcție de cantitatea de adăugare; când nu este reciproc solubil. Ca a doua fază, limita granulelor este afectată, ceea ce afectează forța de legătură sau proprietatea graniței dintre granulele de cristal. Principalele efecte ale dopajului includ formarea de locuri libere, inhibarea creșterii boabelor, formarea fazei lichide bovine și extinderea intervalului de temperatură de sinterizare. În același timp, în funcție de rolul dopantului în ceramica piezoelectrică PZT, acesta poate fi împărțit în trei tipuri: dopaj donator, dopaj acceptor și dopaj compus ionic variabil. În studiul de modificare a dopingului ceramicii piezoelectrice PZT, La, Mn2- și Nb au fost studiate în cantități mari. A fost studiat efectul Nbzos dopați asupra materialului PzT65/35 preparat prin metoda în fază solidă. S-a constatat că adăugarea de niobiu a promovat în mod semnificativ densificarea și sinterizarea și a inhibat creșterea niobiului odată cu creșterea conținutului de niobiu datorită Nb0. Întărirea acțiunii electrostatice octaedrice determină deformarea celulei unitare romboidale a PzT. Celula unitară tinde să fie întinsă la suprafață, ceea ce face produsul ușor de polarizat și, de asemenea, contribuie la îmbunătățirea proprietății sale anti-îmbătrânire. Limita de „solubilitate” în materialul PZT este de 7% mol%. Când cantitatea este mai mică de 7. aluminiul și rețeaua cristalină de perovskit sunt complet solubile reciproc. În acest moment, produsul este complet în faza de perovskit. Prezintă caracteristici de impuritate donatoare; atunci când este adăugat într-o cantitate mai mare de 7 moli, ruteniul în exces va reacționa cu plumbul sau titanul, rezultând în producerea unei a doua faze, cum ar fi o fază de fluorit, care reduce proprietățile dielectrice și piezoelectrice ale articolului. Efectul asupra microstructurii și proprietăților piezoelectrice ale materialelor PZT și starea de valență a manganului în materialele PZT a fost determinat de EsR. Rezultatele arată că solubilitatea manganului în materialele Pz-butil este în principal sub formă de Mn și Mn5+. 1.5nlol', când conținutul de mangan 15 mol, excesul de Mn se va acumula la limita granulelor, reducând activitatea piezoelectrică a produsului. Pe scurt, pentru diferite tipuri de dopanți, cercetarea se concentrează pe dizolvarea completă a fazei cristaline principale a PZT prin căutarea unei cantități adecvate de adăugare, îmbunătățirea proprietăților produsului, evitarea dopajului excesiv și descompunerea graniței sau formarea celei de-a doua faze. Pentru a reduce performanța produsului. În plus, cercetarea actuală a modificării dopajului, obiectul de dopaj se concentrează în principal pe metoda în fază solidă pentru a pregăti materialul PZT și este dopat cu fază solidă de oxid, astfel încât este dificil să se asigure uniformitatea componentelor și stoichiometria precisă. Cum se realizează dopajul omogen va fi una dintre direcțiile viitoare de cercetare ale ceramicii piezoelectrice PZT.

4. Îmbătrânirea

Îmbătrânirea se referă la caracteristica că parametrii de performanță electrică ai articolelor PZT se modifică în timp. Știm că ceramica piezoelectrică PZT aparține ABO. Structura perovskită cuprinde trei faze cristaline cubice, tetragonale și romboedrice. Conform zr/T1, pot fi produse diferite faze de cristal, iar cationul activat este ionul de tip A. Sub temperatura curie, ionii de tip A sau de tip B intră într-o anumită poziție, producând polarizare spontană și formând domenii, dar unghiul dintre domeniile adiacente poate fi doar de 90 sau 180. Acest lucru se datorează fie Polarizarea spontană a structurii domeniului feroelectric permite ca orientarea să fie echivalentă cu axa structurii feroelectrice a structurii feroelectrice în polarizarea unui corp feroelectric. În același timp, structura domeniului feroelectric este, de asemenea, restricționată de deformarea spontană a cristalului. Faza trebuie să asigure că deformarea spontană generată de domeniile adiacente din pereții domeniului poate fi compatibilă, astfel încât unghiul domeniilor adiacente ale lui F poate fi doar de 90 sau 180. În același timp, produsele piezoceramice sinterizate trebuie să fie în curent continuu puternic. Sub acțiunea câmpului, polarizarea spontană a fiecărui domeniu este forțată să fie aliniată, generând astfel polarizarea reziduală, adică manifestând un efect piezoelectric. PZT-ul polarizat discul ceramic piezoelectric este forțat să urmărească tulburarea intra-celulă din cauza câmpului electric de polarizare. Aranjamentul 90 de slăbiciune și direcția domeniului 180., aranjarea ordonată și axa de polarizare spontană în celula unitară este puțin mai lungă decât axa de polarizare nespontană, iar deformarea generează un stres intern mare atunci când se rotește. După îndepărtarea câmpului electric extern, acest stres intern provoacă dezechilibrul intern al celulei unitare. și stochează mai multă energie internă, ceea ce duce la 90 care a fost transformat. Noul domeniu este restabilit la aranjamentul dezordonat înainte de polarizare pentru a elibera treptat stresul intern. Prin urmare, polarizarea reziduală este legată de acestea. Parametrii dielectrici și piezoelectrici dezordonați și treptat în scădere se vor schimba în consecință. Se poate observa că tulburarea noilor domenii este rădăcina mecanismului de îmbătrânire. Legile îmbătrânirii includ în general liniare, neliniare și graduale. Există trei tipuri de aproape liniare. Factorii care afectează îmbătrânirea produselor PZT includ factori externi și interni. Factorii externi sunt legați de mediul de utilizare. Factorii interni, cum ar fi temperatura și umiditatea, sunt strâns legați de structura și mișcarea domeniului, care se datorează câmpului electric ridicat. Procesul de inversare a polarizării este completat de mișcarea pereților de domeniu și de generarea și deplasarea de noi pereți de domeniu. Structura domeniului este strâns legată de microstructura după sinterizare, cum ar fi dimensiunea granulelor, limita granulelor etc. Când dimensiunea granulelor este mică. Când dimensiunea peretelui domeniului este similară, dezvoltarea structurii domeniului feroelectric și mișcarea peretelui domeniului vor fi împiedicate. Mai exact, pe măsură ce dimensiunea granulelor crește, fracția de volum a graniței scade și cuplarea dintre limita granulelor și peretele domeniului scade. Orientarea domeniului este mai dificilă, iar mișcarea peretelui domeniului este sever suprimată, astfel încât polarizarea restului și constanta dielectrică cresc odată cu creșterea mărimii granulelor, iar intensitatea câmpului coercitiv scade. Grosimea și proprietățile graniței au, de asemenea, un efect asupra structurii domeniului. Limita de cereale este favorabilă dezvoltării domeniului peste granița de cereale și îmbunătățește piezoelectricitatea produsului.