Кілька проблем при виготовленні п'єзокераміки ЦТС

П'єзоелектрична кераміка PZT має характеристики високої температури Кюрі, сильної п'єзоелектрики, легкої модифікації легування та гарної стабільності. З 1960-х років він був гарячою точкою уваги та досліджень, і він домінував у галузі п’єзоелектричної кераміки. З точки зору процесу приготування п'єзоелектричної кераміки PzT, синтез порошку Pzt та спікання ущільнення мають найбільший вплив на якість виробів PzT. Ультрадисперсний порошок PzT має переваги дрібного розміру частинок, великої питомої поверхні та високої реакційної здатності, що може знизити температуру спікання, зменшити випаровування свинцю, забезпечити точну стехіометрію та покращити продуктивність продуктів PZT. Таким чином, приготування ультрадисперсного порошку PZT стало підводна п'єзотрубка . Фокус електрокерамічних досліджень. В останні роки було розроблено багато нових методів для дослідження наддисперсного порошку PZT. На додаток до традиційного фазово-фазового методу твердофазний метод включає метод мікрохвильового випромінювання, механічний хімічний метод і метод реакційного спікання. Рідкофазний метод має такі переваги, як низька температура синтезу, просте обладнання, легка експлуатація, низька вартість тощо, і він використовувався для приготування порошку PZT, наприклад, золь-гель метод, гідротермальний метод, метод осадження'. Проте все ще існує багато недоліків у підготовці та виконанні п’єзоелектричної кераміки PZT, включаючи агломерацію порошку, стехіометрію та легке старіння властивостей продукту. причини вищевказаних проблем і Нижче обговорюється хід досліджень вирішення цих проблем і висуваються деякі пропозиції щодо розробки п’єзоелектричної кераміки Pzt.

1 порошкова агломерація

Агломерація порошку зазвичай включає м'яку агломерацію та тверду агломерацію. М’яка агломерація утворюється завдяки посиленню та взаємодії сили Ван-дер-Ваальса, електростатичного притягання та капілярної сили між частинками, коли розмір частинок порошку зменшується; тверда агломерація зумовлена ​​хімічним зв’язком між групами. Дія утворює містковий кисневий зв’язок, і ланцюг місткового кисню між частинками взаємодіє, утворюючи. Проблема агломерації є найважливішим фактором, що впливає на чудові характеристики ультрадисперсного порошку PzT, а також значною мірою впливає на якість продуктів PzT. Це тому, що матеріали PZT є функціональними матеріалами. Основними вимогами до синтетичних порошків є висока чистота, ультрадисперсність, рівномірний розподіл частинок за розміром, хороша дисперсність, стехіометрична точність і рівномірне легування. Крім того. Виникнення агломерації під час синтезу вісмуту з п’єзокерамічної труби PZT призведе до зменшення об’ємної щільності та нерівномірної морфології, а також до появи великої кількості пор, що призведе до нерівномірної мікроструктури, що серйозно впливає на щільність спеченого тіла, а також може призвести до другого процесу спікання. Вторинна рекристалізація, тим самим знижуючи п'єзоелектричні та термоелектричні властивості виробу PZT. Таким чином, зменшення або уникнення агломерації при синтезі ультрадисперсного порошку PzT є необхідною умовою для приготування високоефективної п’єзоелектричної кераміки PzT. Агломерація при виготовленні порошку PZT включає дві форми м’якої та твердої агломерації. Механізм агломерації також відрізняється для різних методів приготування порошку. Традиційний твердофазний метод синтезу порошку PZT характеризується багаторазовим помелом у кульовому млині та високою температурою прожарювання. Багаторазове подрібнення в кульовому млині не тільки вводить домішки, але й надмірне подрібнення призводить до утворення агломерації. Зокрема, розроблений механохімічний метод в основному використовує механічну енергію, завершує синтез фази PZT, а час кульки дорівнює небу. Це легше ввести домішки та викликати агломерацію порошку. Надмірна температура прожарювання також може спричинити агломерацію порошку. Рідкофазний метод використовується для синтезу порошку ЦТС. Оскільки частинки твердої фази утворюються в рідкій фазі, вони, як правило, зазнають зародження, росту, коалесценції та агломерації. Таким чином, агломерована структура може утворюватися, коли вона є частинкою твердої фази, утвореною в рідкій фазі. Через броунівський рух частинки знаходяться близько одна до одної. Коли кінетична енергія між частинками перевищує бар’єр, що утворює агломерат, між ніжними частинками під дією руху вони знову об’єднуються одна з одною. По-друге, в процесі поділу твердої і рідинної фази, з видаленням останньої частини рідкої фази, частинки твердої фази наближаються одна до одної завдяки поверхневому натягу. Особливо синтез порошку PZT з водою як розчинником. Сліди води, які врешті-решт залишаються між частинками, міцно зв’яжуть частинки та частинки воднем. Крім того, підготовлений попередник порошку PZT, як правило, кальцинують при температурі від 500 до 700° C, що також може спричинити агломерацію порошку, а також може призвести до того, що утворені агломерати посилять утворення агломерованих структур через локальне спікання. Видно, що порошок P ZT виготовлений методом співосадження. Кожна стадія співосадження, зростання зерна до промивання, сушіння та кальцинування осаду може призвести до зростання частинок та утворення агломератів. Відповідно до утворення агломерації, зменшення або уникнення росту частинок і агломерації при приготуванні ультрадисперсного порошку PZT можна розглядати з наступних аспектів: один - це розділення процесу зародження і зростання, сприяння зародженню, контроль росту; забезпечити високу швидкість зародження, десять швидкостей росту, тобто гарантувати, що попередник порошку PZT утворюється за високого ступеня переохолодження або високого перенасичення. По-друге, це запобігання агломерації порошку PZT. Це стосується того, як запобігти утворенню агломерації під час приготування порошку та як усунути агломерацію після агломерації. Спосіб інгібування агломерації під час приготування порошку включає: (1) вибір розумних умов реакції (таких як значення PH, реакційна концентрація та температура, ); (2) спеціальна обробка під час синтезу порошку або сушіння; включаючи процес синтезу порошку поверхнево-активну речовину додають і фільтрують за допомогою органічного розчинника, а поверхневий натяг поверхнево-активної речовини низький. Таким чином, можна отримати попередник порошку з більш легким ступенем агломерації; У процесі сушіння використовується спеціальний процес сушіння, головним чином сублімаційне сушіння, надкритичне сушіння та сушіння в далекому інфрачервоному діапазоні тощо. Основним принципом є усунення газ-рідина з великим поверхневим натягом. Поверхня розділу або частинки фіксовані і не можуть наближатися одна до одної. Наприклад, ліофілізація передбачає використання низької температури та негативного тиску для сублімації сирого рідкого середовища, замороженого до твердої фази під негативним тиском, оскільки частинки твердої фази заморожені в сирому рідкому середовищі. І в капілярі між частинками немає межі газ-рідина з великим поверхневим натягом, що дозволяє уникнути проблеми сильної агломерації, спричиненої рідинним містком.

(3) Виберіть найкращі умови прожарювання або використовуйте спеціальні процеси, такі як використання мікрохвильового нагрівання без теплопередачі, висока енергоефективність та інші характеристики, щоб замінити традиційну високотемпературну електричну піч при 600. c. Було отримано однокомпонентний порошок PZT. Методами усунення агломерації після утворення агломератів є осадження або седиментація, подрібнення та ультразвукова обробка, додавання диспергатора тощо. Наприклад, Wang Xicheng ' використовує алкоксид металу та нітрат як сировину, суворо контролює генерацію співосадження, промивання та умови відбору дисперсії, приймає технологію сублімаційного сушіння, а потім проходить розумний процес прожарювання для утворення однорідної композиції без жорсткої агломерації. Тіло, одна фаза перовскіту, висока спікаюча активність PzT мікронного розміру (52/48) мікропорошок  формується за технологією холодного ізостатичного пресування (cIP), спікання ущільнення може бути досягнуто при 800 ° c, і досягається його відносна щільність.

Вплив стехіометричної стехіометрії на якість продукції PZT в основному включає z аспекти: по-перше, випаровування свинцю під час процесу спікання п’єзоелектричної кераміки PZT призводить до того, що компоненти відхиляються від точної стехіометрії та продуктивність продукції знижується; з іншого боку, zr/ у компонентах. Коливання Ti впливає на стабільність характеристик продукту PzT. Вважається, що випаровування свинцю пов’язане з високою температурою спікання п’єзоелектричної кераміки PZT. Оксид свинцю має відносно високий тиск насиченої пари у високотемпературному середовищі, що призводить до випаровування свинцю. Чим вищий тиск насиченої пари, тим легше випаровується свинець, а zr зі збільшенням /Ti підвищується температура спікання п’єзоелектричної кераміки PZT, а тиск насиченої пари оксиду свинцю поступово зростає. Втрати свинцю стануть серйознішими, тому п’єзоелектричну кераміку з високим вмістом zr/Ti PzT складніше спікати, а занадто низький парціальний тиск кисню під час спікання призведе до випаровування свинцю. Матеріал PZT, виготовлений звичайним твердофазним методом, має температуру спікання, як правило, 1200 через низьку активність синтетичного порошку. Легко викликати випаровування великої кількості свинцю, продуктивність продукту не висока, тому метод твердої фази продуктів PZT важко задовольнити високі вимоги до продуктивності галузі застосування. На даний момент основні заходи, вжиті дослідниками матеріалів у країні та за кордоном для випаровування свинцю, такі: По-перше, до синтезу порошку додається надмірна кількість свинцю. Додається надлишок свинцю. На початковій стадії спікання за рахунок утворення рідкої фази можна збільшити площу контакту реагентів, прискорити швидкість дифузії цирконію, титану та легуючих добавок, а також покращити однорідність продукту; утворена рідка фаза також може прискорити дифузійний рух розчинення та осадження, що сприяє перегрупуванню та щільному упаковуванню частинок, прискорює ущільнення продукту. Однак, якщо кількість доданого свинцю занадто велика, надлишок свинцю осідає на кристалі з одного боку, що погіршить продуктивність виробу. З іншого боку, це легко спричинить надто високу локальну концентрацію титану в компоненті PzT, а розчинність у оксиді свинцю в рідкій фазі є великою сухою zrOz. Розчинність, що призводить до високого локального вмісту титану в продукті PZT після спікання, особливо на межі зерен. Тим самим впливаючи на однорідність мікроструктури продукту та знижуючи продуктивність продукту. Додавання надлишку свинцю впливає на механічні властивості компонентів п’єзоелектричної кераміки PZT: коли в продукті надмірно багато свинцю, руйнування відбувається через зерно. По-друге, у процесі спікання продукту, відповідно до механізму випаровування свинцю, прийнята розумна система спікання та спеціальні заходи. Він широко використовується для додавання листа атмосфери спікання та технології двошарового вісмуту для спікання та контролю атмосфери спікання, щоб бути окислювальною атмосферою. Це зменшить випаровування свинцю та запобіжить почорнінню продукту. У відновній атмосфері Ti легко відновлюється до T1 ̈ для потемніння продукту.

По-третє, додати відповідну кількість легуючих добавок. Допінг зменшує випаровування свинцю та, з іншого боку, покращує характеристики продукту PzT. По-четверте, це подальше вивчення синтезу високоактивного порошку PZT, щоб п’єзоелектричну кераміку PZT можна було ущільнювати та спекати при температурі, нижчій за температуру свинцю. Крім того, механізм випаровування свинцю ще потребує подальшого вивчення. Температура випаровування оксиду свинцю при гідротермальному синтезі порошку PzT становить 924,71. c, а температура реакції між частинками ̈ . Температура реакції між твердофазного синтезу P ZT при 26 ° частинками порошку C становила 47. c. Температура окислення оксиду свинцю 29 ° С; найнижча евтектична температура системи P ZT становить 838. c. Можна побачити, що розумні технологічні заходи повинні бути вжиті відповідно до механізму випаровування свинцю та методу приготування порошку PZT, щоб зменшити випаровування свинцю та покращити продуктивність продуктів PZT.

5 Допінг

Дослідження показали, що ефективність продукту PZT тісно пов’язана. В даний час для вивчення матеріалів PZT zr/Ti в основному зосереджено в діапазоні 53/47 і 95/5. Однак покладатися виключно на різні zr/T- для покращення продуктивності продуктів PZT не можна задовольнити вимоги продуктів PZT у різних галузях. Також необхідно вдосконалити продукти шляхом вибору відповідної кількості легуючих добавок на основі zr/Tl. одночасно зменшуючи вплив флуктуацій zr/Ti на стабільність роботи виробів з pzt. Добавка може бути взаємно розчинною в основній кристалічній решітці та може випадати в осад на межі зерен у формі другої фази. Коли вона взаємно розчинна, продуктивність або структура основної кристалічної фази може змінюватися відповідно до кількості додавання; коли він не є взаємно розчинним. На другому етапі впливає межа зерен, що впливає на силу зв’язку або властивість меж зерен між кристалічними зернами. Основні ефекти легування включають утворення вакансій, пригнічення росту зерна, утворення бичачої рідкої фази та розширення діапазону температур спікання. У той же час, відповідно до ролі легуючої домішки в п’єзоелектричній кераміці PZT, її можна розділити на три типи: донорне легування, акцепторне легування та легування змінною іонною сполукою. У дослідженні модифікації легування п'єзоелектричної кераміки PZT La, Mn2- та Nb були вивчені у великих кількостях. Досліджено вплив легованого Nbzos на матеріал PzT65/35, отриманий твердофазним методом. Було виявлено, що додавання ніобію значно сприяло ущільненню та спіканню та пригнічувало ріст ніобію зі збільшенням вмісту ніобію через Nb0. Посилення октаедричної електростатичної дії викликає деформацію ромбовидної елементарної комірки PzT. Елементарна комірка має тенденцію розтягуватися на поверхні, що робить продукт легко поляризованим, а також сприяє покращенню його властивості проти старіння. Межа 'розчинності' в матеріалі PZT становить 7% мол. Коли кількість менше 7, алюміній і кристалічна решітка перовскіту повністю взаємно розчинні. У цей момент продукт повністю перебуває у фазі перовскіту. Він демонструє характеристики донорних домішок; при додаванні в кількості понад 7 моль надлишок рутенію реагує зі свинцем або титаном, що призводить до утворення другої фази, такої як фаза флюориту, що знижує діелектричні та п’єзоелектричні властивості виробу. Вплив на мікроструктуру та п’єзоелектричні властивості матеріалів PZT та валентний стан марганцю в матеріалах PZT визначали за EsR. Результати показують, що розчинність марганцю в Pz-бутилових матеріалах є переважно у формі Mn і Mn5+. 1,5nlol', при вмісті марганцю 15 моль, надлишок Mn накопичуватиметься на межі зерен, знижуючи п’єзоелектричну активність продукту. Підсумовуючи, для різних типів легуючих добавок дослідження зосереджені на повному розчиненні основної кристалічної фази PZT шляхом пошуку відповідної кількості додавання, покращення властивостей продукту, уникнення надмірного легування та розкладання межі зерен або формування другої фази. Для зниження продуктивності продукту. Крім того, у поточних дослідженнях модифікації легування об’єкт легування в основному зосереджується на методі твердої фази для приготування матеріалу PZT і легується твердою фазою оксиду, тому важко забезпечити однорідність компонентів і точну стехіометрію. Як досягти однорідного легування буде одним із майбутніх напрямків досліджень п’єзоелектричної кераміки PZT.

4. Старіння

Старіння відноситься до характеристики, що параметри електричних характеристик виробів з PZT змінюються з часом. Ми знаємо, що п'єзокераміка PZT належить до ABO. Структура перовскіту складається з трьох кристалічних фаз: кубічної, тетрагональної та ромбоедричної. Відповідно до zr/T1 можуть утворюватися різні кристалічні фази, а активованим катіоном є іон типу А. Нижче температури Кюрі іони А-типу або В-типу входять у певне положення, створюючи спонтанну поляризацію та утворюючи домени, але кут між сусідніми доменами може становити лише 90 або 180. Це відбувається через те, що спонтанна поляризація сегнетоелектричної доменної структури дозволяє орієнтації бути еквівалентною осі сегнетоелектричної поляризаційної осі в прототипі структури сегнетоелектричне тіло. У той же час сегнетоелектрична доменна структура також обмежена спонтанною деформацією кристала. Фаза повинна гарантувати, що спонтанна деформація, створювана суміжними доменами в стінках домену, може бути сумісною, тому кут сусідніх доменів F може становити лише 90 або 180. У той же час спечені п’єзокерамічні вироби повинні перебувати в сильному постійному струмі. Під дією поля спонтанна поляризація кожного домену вимушено вирівнюється, тим самим створюючи залишкову поляризацію, тобто виявляючи п’єзоелектричний ефект. Поляризований PZT п'єзоелектричний керамічний диск змушений переслідувати внутрішньоклітинний безлад через поляризаційне електричне поле. Розташування 90 слабини та 180. управління доменом, упорядковане розташування та вісь спонтанної поляризації в елементарній комірці трохи довша за вісь неспонтанної поляризації, і свердловина деформації створює велику внутрішню напругу під час повороту. Після усунення зовнішнього електричного поля ця внутрішня напруга викликає внутрішній дисбаланс елементарної комірки. і зберігає більше внутрішньої енергії, що призводить до 90, що було повернуто. Новий домен відновлюється до невпорядкованого розташування до поляризації, щоб поступово зняти внутрішню напругу. Таким чином, залишкова поляризація пов'язана з цими. Розупорядковуючи і поступово зменшуючись, діелектричні і п'єзоелектричні параметри будуть відповідно змінюватися. Можна побачити, що розлад нових доменів є коренем механізму старіння. Закони старіння зазвичай включають лінійне, нелінійне та поступове. Є три типи майже лінійного. Фактори, що впливають на старіння виробів з ЦТС, включають зовнішні та внутрішні фактори. Зовнішні фактори пов'язані з середовищем використання. Внутрішні фактори, такі як температура та вологість, тісно пов’язані зі структурою домену та рухом домену, що зумовлено сильним електричним полем. Процес поляризаційної інверсії завершується рухом доменних стінок і генерацією та рухом нових доменних стінок. Доменна структура тісно пов’язана з мікроструктурою після спікання, як-от розмір зерна, межа зерна тощо. Коли розмір зерна малий. Коли розмір доменної стінки подібний, розвиток сегнетоелектричної доменної структури та рух доменної стінки буде перешкоджати. Зокрема, зі збільшенням розміру зерна об’ємна частка межі зерна зменшується, а зв’язок між межею зерна та доменною стінкою зменшується. Орієнтація домену є складнішою, а рух доменної стінки сильно пригнічений, тому залишкова поляризація та діелектрична проникність зростають із збільшенням розміру зерна, а напруженість коерцитивного поля зменшується. Товщина і властивості межі зерен також впливають на доменну структуру. Межа зерна є сприятливою для розвитку домену через межу зерна та покращує п’єзоелектричність продукту.