Forskning och framsteg inom tekniker för lågtemperatursintring av vätskefas PZT piezoelektrisk keramik

Blyzirkonattitanatkeramik (PZT) har använts i stor utsträckning i polariserad piezoelektrisk keramisk givare på grund av deras utmärkta egenskaper. Den piezoelektriska keramen innehåller emellertid PZT och har en relativt hög sintringstemperatur på cirka 1200 °C. Oxidationstemperaturen för blyoxid (PbO) är cirka 800 °C. Därför är det lätt att orsaka förångning av PbO under sintringsprocessen, vilket inte bara orsakar miljöföroreningar, utan också gör att den faktiska sammansättningen av det keramiska materialet avviker från den designade formuleringen, vilket resulterar i försämring av elektriska egenskaper. Dessutom, med utvecklingen av ytmonteringsteknologi (SMT), gynnas flerskiktschipenheter av marknaden för sin höga effektivitet, miniatyrisering och funktionella integration. Den höga sintringstemperaturen hos den piezoelektriska keramen gör det emellertid svårt att uppnå en sambränning av det keramiska materialet och elektrodmaterialet. Om processförbättringar kan göras genom att sänka sintringstemperaturen, har det inte bara ett viktigt tekniskt och ekonomiskt värde för att undertrycka PbO-förångning, vilket är att säkerställa materialegenskaper, minska miljöföroreningar, förlänga utrustningens livslängd, etc., utan också att ersätta Pt och Pd med Ag, Ni, etc. Ädelmetallen används som den inre elektroden för att bränna flerskiktskomponenten vid en stor tidpunkt, minska kostnaderna för enheten och spara energi. Dessutom kan djupgående forskning om lågtemperatursintring främja utvecklingen av sintringsteori. För närvarande är processmetoderna för att reducera sintringstemperaturen för keramer inklusive sintringsprocessen, malningsprocessen och metoden för sintring i vätskefas. Bland dem är vätskefassintringsprocessen den enklaste, lägsta kostnaden och är bekväm för industriell tillämpning. Det är en av de heta punkterna i den piezoelektriska industrin hemma och utomlands att studera lågtemperatursintring av PZT piezoelektrisk keramik genom sintring i vätskefas.

1 Mekanism för sintring i vätskefas

Genom att sintra ett lågsmältande sintringshjälpmedel såsom Bi2O3, B2O3, SiO2, V2O5, etc. i ett PZT piezoelektriskt basmaterial, kan tillsats av ett ämne bilda en fast lösning med PZT, sintring av PZT piezoomvandlare piezoelektrisk keramik tillhör en flytande fas. Den flytande fasen som uppstår under sintringsprocessen kommer att väta de gröna kroppspartiklarna och fylla porerna mellan partiklarna, vilket skapar en ytspänning mellan partiklarna. Storleken på ytspänningen är relaterad till vätskefasens natur, kvantitet och partikelstorlek. Under inverkan av ytspänning flyter partiklarna och ändrar det ursprungliga arrangemanget och omarrangerar dem för att erhålla en tätare packning mellan de gröna partiklarna. Samtidigt, på grund av närvaron av vätskefasen, kommer massöverföringsprocessen att fortsätta vid gränsytan mellan vätskefasen och den fasta fasen, de små partiklarna löses gradvis upp för att försvinna och de stora partiklarna växer kontinuerligt och blir så småningom enhetliga och täta porslin. Närvaron av en flytande fas aktiverar atomerna på ytan av pulverpartiklarna. Den lågsmältande glasfasen som bildas av olika lågsmältande sintringshjälpmedel är fördelad längs kontaktgränsytan för varje partikel, och atomerna transporteras genom vätskefasdiffusion, och diffusionskoefficienten är stor, så att sintringsprocessen accelereras kraftigt och sintringstemperaturen kan göras högre än när vätskefasen inte inträffar. För att minska detta måste följande tre krav uppfyllas som tillsatser för sintring i vätskefas: (1) vätskefas bör uppträda vid sintringstemperaturen; (2) god vätbarhet till fasta ämnen; (3) fast fas i flytande fas. Det finns betydande löslighet i det.

2 sätt att uppnå sintring i vätskefas

Den största fördelen med PZT piezoelektriska keramer är att de kan anpassas till ett brett spektrum av elektrofysiska egenskaper genom att ändra sammansättningen eller ändra de yttre förhållandena för att passa olika behov. Användningen av andra ämnen för att uppnå lågtemperatursintring av PZT-keramik minskar inte bara sintringstemperaturen, utan optimerar också dess elektriska egenskaper. Dessutom kan vätskefas-lågtemperatursintring realiseras med den konventionella fastfasmetoden, och processen är enkel och industrialiserad. Vätskefassintringen utförs huvudsakligen på tre sätt: (1) det fasta materialet formas till en fast lösning med den sintrade kroppen; (2) tillsatsen bildar en flytande fas med den sintrade kroppen (3) tillsatsen bildar en övergångsvätskefas med den sintrade kroppen.

3.1 Tillsats till den sintrade kroppen för att bilda en fast lösning

När blandningen är nära partikelstorleken, piezokristallformen och elpriset för sintringsfasen, kan den vara ömsesidigt löslig för att bilda en fast lösning, vilket gör att huvudkristallfasen blir gitterförvrängd, och defekterna ökas, så att vissa strukturella element är i ett icke-jämviktstillstånd, som har ett högt energitillstånd. Flytta för att främja sintring.

2.2 Tillsatsen av ämnet till den sintrade kroppen bildar en flytande fas

Vätskefassintring beror på tillsatsen av tillsatser för att få systemet att ha en låg eutektisk punkt. Temperaturen är betydligt lägre än den traditionella sintringstemperaturen för piezo rund skiva givare . Vätskefasen bildas i det inledande steget av sintringen. Korngränsen kan förbättras på grund av kornomläggning och förstärkande kontakt vid sintring i vätskefas. Rörligheten är sådan att porerna töms ut tillräckligt, vilket främjar förtätningen av sintringen och uppnår syftet att sänka sintringstemperaturen. Emellertid introducerar tillsatsen av ett lågsmältande glas eller oxid en andra fas, och närvaron av för mycket andra fas leder oundvikligen till en signifikant minskning av keramikens dielektricitetskonstant, och en ökning av den dielektriska förlusten tan δ måste noteras.

2. 3 Tillsatsen och den sintrade kroppen bildar en övergångsvätskefas.

Om piezokeramiken kan bilda en vätskefas i det inledande skedet av sintringen, och vätskefasens sammansättning kan förångas eller återinträda i huvudkristallfasgittret vid hög temperatur, kan det fungera som en dopningsmodifiering. Sådana tillsatser med låg smältpunkt kan inte bara kraftigt minska sintringstemperaturen, utan också undvika bildandet av sekundära faser genom tillsats av flussmedel, och därigenom bibehålla de goda piezoelektriska egenskaperna hos det ursprungliga basmaterialet, vilket är av stor betydelse för energibesparing och minskning av miljöföroreningar.