Дослідження та досягнення в техніці низькотемпературного рідкофазного спікання п'єзоелектричної кераміки PZT

Цирконат-титанат свинцю кераміка (PZT) широко використовується в Поляризований п'єзоелектричний керамічний перетворювач завдяки своїм чудовим властивостям. Однак п'єзоелектрична кераміка, що містить PZT, має відносно високу температуру спікання близько 1200 °C. Температура окислення оксиду свинцю (PbO) становить близько 800 °C. Таким чином, легко спричинити випаровування PbO під час процесу спікання, що не тільки спричиняє забруднення навколишнього середовища, але також призводить до відхилення фактичного складу керамічного матеріалу від розробленого складу, що призводить до погіршення електричних властивостей. Крім того, з розвитком технології поверхневого монтажу (SMT) ринок віддає перевагу багатошаровим чіповим пристроям через їхню високу ефективність, мініатюрність та функціональну інтеграцію. Однак висока температура спікання п'єзоелектричної кераміки ускладнює досягнення спільного спалювання керамічного матеріалу та матеріалу електрода. Якщо процес можна покращити шляхом зниження температури спікання, це має не лише важливу технічну та економічну цінність у придушенні випаровування PbO, що забезпечує властивості матеріалу, зменшення забруднення навколишнього середовища, подовження терміну служби обладнання тощо, але також замінює Pt і Pd на Ag, Ni тощо. Благородний метал використовується як внутрішній електрод для одночасного запалювання багатошарового п’єзоелектричного компонента мікросхеми, що значно зменшує вартість пристрою та економія електроенергії. Крім того, поглиблені дослідження низькотемпературного спікання можуть сприяти розвитку теорії спікання. В даний час методи процесу для зниження температури спікання кераміки, включаючи процес спікання, процес фрезерування та метод рідкофазного спікання. Серед них процес рідкофазного спікання є найпростішим, дешевшим і зручним для промислового застосування. Це одна з гарячих точок у п’єзоелектричній промисловості вдома та за кордоном для вивчення низькотемпературного спікання п’єзоелектричної кераміки PZT методом рідкофазного спікання.

1 Механізм рідкофазного спікання

Завдяки спіканню легкоплавкої добавки для спікання, такої як Bi2O3, B2O3, SiO2, V2O5 тощо, у п’єзоелектричному базовому матеріалі PZT, додавання речовини здатне утворювати твердий розчин із PZT, спікання PZT п'єзоперетворювач П'єзокераміка відноситься до рідкої фази. Рідка фаза, яка виникає під час процесу спікання, змочує частки зеленого тіла та заповнює пори між частинками, що створює поверхневий натяг між частинками. Величина поверхневого натягу пов'язана з природою, кількістю та розміром частинок рідкої фази. Під дією поверхневого натягу частинки течуть і змінюють початкове розташування та перегруповують їх, щоб отримати щільнішу упаковку між зеленими частинками. У той же час, завдяки наявності рідкої фази, процес масообміну відбуватиметься на межі розділу між рідкою фазою та твердою фазою, дрібні частинки поступово розчиняються, щоб зникнути, а великі частки безперервно ростуть і врешті-решт стають однорідною та щільною порцеляною. Наявність рідкої фази активує атоми на поверхні частинок порошку. Фаза скла з низьким рівнем плавлення, утворена різними допоміжними засобами для спікання з низькою температурою плавлення, розподіляється вздовж контактної поверхні кожної частинки, і атоми транспортуються шляхом дифузії рідкої фази, і коефіцієнт дифузії є великим, тому процес спікання значно прискорюється, а температура спікання може бути вищою, ніж коли рідка фаза не виникає. Щоб зменшити це, необхідно виконати такі три вимоги як добавки для рідкофазного спікання: (1) рідка фаза повинна з’явитися при температурі спікання; (2) хороша змочуваність твердими речовинами; (3) тверда фаза в рідкій фазі. У ньому є значна розчинність.

2 Способи досягнення рідкофазного спікання

Найбільшою перевагою п’єзоелектричної кераміки PZT є те, що її можна налаштувати на широкий спектр електрофізичних властивостей шляхом зміни складу або зміни зовнішніх умов відповідно до різних потреб. Використання інших речовин для досягнення низькотемпературного спікання кераміки PZT не тільки знижує температуру спікання, але й оптимізує її електричні властивості. Крім того, рідкофазне низькотемпературне спікання може бути реалізовано звичайним твердофазним методом, і процес є простим і промисловим. Рідкофазне спікання в основному здійснюється трьома способами: (1) тверда речовина перетворюється на твердий розчин за допомогою спеченого тіла; (2) добавка утворює рідку фазу зі спеченим тілом (3) добавка утворює перехідну рідку фазу зі спеченим тілом.

3.1 Додавання до спеченого тіла для утворення твердого розчину

Коли домішка близька до розміру частинок, форми п’єзокристалу та ціни електроенергії фази спікання, вона може бути взаємно розчинною з утворенням твердого розчину, що спричиняє спотворення решітки основної кристалічної фази, а дефекти збільшуються, так що деякі структурні елементи перебувають у нерівноважному стані, що має велику енергію та є зручним. Переміщення для сприяння спіканню.

2.2 Додавання речовини до спеченого тіла утворює рідку фазу

Спікання в рідкій фазі відбувається за рахунок додавання добавок, щоб система мала низьку евтектичну точку. Температура значно нижча, ніж традиційна температура спікання П'єзокруглий дисковий перетворювач . Рідка фаза утворюється на початковій стадії спікання. Границя зерен може бути посилена за рахунок перегрупування зерен і зміцнення контакту при рідкофазному спіканні. Рухливість така, що пори достатньо розряджені, тим самим сприяючи ущільненню спікання та досягненню мети зниження температури спікання. Однак додавання легкоплавкого скла або оксиду вводить другу фазу, а наявність занадто великої кількості другої фази неминуче призводить до значного зниження діелектричної проникності кераміки, і слід зазначити збільшення діелектричних втрат tan δ.

2. 3 Додаток і спечене тіло утворюють перехідну рідку фазу.

Якщо п’єзокераміка може утворювати рідку фазу на початковій стадії спікання, а композиція рідкої фази може випаровуватися або знову входити в решітку основної кристалічної фази при високій температурі, вона може функціонувати як легуюча модифікація. Такі добавки з низькою температурою плавлення можуть не тільки значно знизити температуру спікання, але й уникнути утворення вторинних фаз шляхом додавання флюсу, таким чином зберігаючи хороші п’єзоелектричні властивості вихідного основного матеріалу, що має велике значення для енергозбереження та зменшення забруднення навколишнього середовища.