压电陶瓷的生产工艺
6.3压电陶瓷教程
本章主要内容： 1 相关概念 （1）极化；（2）压电效应；（3）压电陶瓷。 2 压电陶瓷的性能参数 （1）弹性常数；（2）机械品质因素； （3）压电性、压电常数与压电方程；（4）机电耦
合系数。 3 压电陶瓷的生产工艺（以PZT陶瓷为例） 4 压电陶瓷的应用 5 压电超声换能器的应用与发展
（3）压电陶瓷：经过人工极化处理具有压电效应的陶 瓷制品。
人工极化：是指在压电陶瓷上施加直流强电场进行极 化，使陶瓷的各个晶粒内的自发极化方向将平均地取 向于电场方向，使之具有近似于单晶的极性，并呈现 出明显的压电效应。
2 压电陶瓷的性能参数
（1）弹性常数(elastic coefficient)
❖ 烧结过程中PbO的挥发对产品质量影响很大。由于 PbO挥发，破坏了配方的化学组成，工艺上为了防止 PbO挥发，通常采用密封法、埋入法、加气氛片法等 措施加以解决。
（5）上电极
烧成的陶瓷经精修、清洁后，就可以被覆上电极。 一般来说是将含银涂料（银浆）涂于制品表面， 并在600~800℃下烧结，使银浆中的氧化银还原为 银，并烧渗到陶瓷表面，形成牢固结合层。对于 薄片，可以通过溅射或蒸发镀上一层镍铬或金作 为电极。被上电极的产品便可进行人工极化处理。
信号转换 振荡器，音叉，送话器，蜂鸣器，超声换能器
发射接收 超声探测，声纳，水下导航，无损检测，医疗
信号处理 滤波器，放大器，振荡器，混频器
Байду номын сангаас
传感计测 加速度计，压力计，角速度计，红外探测器
存贮显示 电光、声光调制器，光存贮器，声光显示器
其 它 非线性元件，压电继电器等
压电陶瓷应用（一）
压电陶瓷应用（二）
（2）机械品质因素(mechanical quality factor) 它表示在振动转换时，材料内部能量消耗的程度。机械 品质因素越大，能量的损耗越小。
压电陶瓷的生产工艺
压电陶瓷的生产工艺压电陶瓷的生产工艺通常包括原料准备、制备成型、烧制、铝电极刮涂和电性能测试等步骤。
下面将对其中的几个主要工艺步骤进行详细介绍。
1. 原料准备压电陶瓷的主要原材料包括氧化物（如铅酸钛、铌酸锂等），稳定剂，促进剂等。
首先需要将这些原料按照一定比例进行混合。
在混合过程中需要注意原料的均匀性，可以使用球磨机等设备对原料进行研磨和混合。
2. 制备成型将原料混合均匀后，需要将其制备成特定的形状，常见的制备成型方法包括浇注法、模压法和注射成型等。
其中最常见的方法是模压法，即将原料放入特定的模具中，在高压下进行成型，获得所需的形状。
制备成型时需要注意原料的充填度和均匀性，同时要控制成型压力和温度。
3. 烧制制备成型后的陶瓷需要进行烧制，以使其达到所需的致密度和结晶度。
烧制过程通常包括预烧和烧结两个阶段。
预烧是在低温下进行的，用于去除陶瓷中的有机物和水分，并使其成型完成。
烧结则是在高温下进行的，使原料中的氧化物发生化学反应，形成稳定的结晶相。
烧制温度和时间的控制对于压电陶瓷的性能具有重要影响。
4. 铝电极刮涂烧制完成后的压电陶瓷需要进行铝电极的刮涂。
铝电极是用于接触和收集陶瓷材料中的电荷的导电材料。
刮涂的方法通常是使用脱模胶进行模具涂层脱模，保护胶进行背胶刮涂，然后进行铝电极的刮涂。
刮涂完毕后，需要进行烘烤以去除胶体。
5. 电性能测试最后，对制备完成的压电陶瓷进行电性能测试。
常见的电性能测试包括介电常数、压电常数、压电劈裂场、电机械耦合系数等。
测试结果可通过测试仪器进行检测和记录。
除了以上的主要工艺步骤，压电陶瓷的生产工艺还包括研磨、退火和表面处理等工艺。
这些工艺步骤的控制和优化对于获得高质量的压电陶瓷产品具有重要意义。
压电陶瓷制备工艺简介
压电陶瓷制备工艺简介
配料
预烧
球磨 成型 烧结
电极
极化
测量
测量
球磨
排塑
配料和球磨:
根据配方和所需样品的数量,计算各种原料所需重量;根据配方计算进行称料; 球磨:(混合均匀,颗粒更细);烘干
得到生料预烧:
目的:合成所需要的材料;
通常把粉料压大块后进行预烧.
23
calcine
BaO TiO BaTiO
+−−−→
3232
calcine
BaCO TiO BaTiO CO
+−−−→+↑
球磨:
二次球磨;
预烧后的原料再次进行球磨混合;
烘干得到熟料；成型:
目的:把粉料制备成所需要元件的几何形状;常见的成型工艺有:干压、轧膜和流延。
干压成型:
圆片、方片、长条；熟料+黏合剂，
制粒（容易成型，成瓷效果）
油压机/千斤顶
压片机轧膜：
厚膜；
加更多黏合剂；轧膜机
流延：
薄膜；
加更多黏合剂；
排塑：
通过加高温把样品内的黏合剂分解挥发掉
烧结：
成瓷，比较关键电极：
在样品上制备上电极，用于测量和使用；
烧银、蒸镀、溅射
极化：
加直流高压使电畴转向，呈现压电性。
极化电压
极化温度
极化时间测量：
物理性能测试介电、压电等
新工艺
•粉料制备：化学方法合成，纳米，超细•热压烧结：提高致密度
•织构法：….。
压电陶瓷工艺流程
压电陶瓷工艺流程压电陶瓷工艺流程是指通过一系列的步骤和工艺操作，将原材料转化为压电陶瓷产品的过程。
下面是一篇关于压电陶瓷工艺流程的700字的文章。
压电陶瓷工艺流程是指将原材料经过多道工序的加工和处理，最终得到压电陶瓷产品的过程。
下面我们来介绍一下压电陶瓷工艺流程的具体步骤和操作。
首先，我们需要准备好原材料。
压电陶瓷的原材料主要包括氧化物粉末和添加剂等。
根据不同的压电陶瓷产品的要求，选择不同的原材料进行配比。
接下来，我们需要将原材料进行混合。
将不同种类的氧化物粉末和添加剂按照一定比例放入搅拌机中进行搅拌混合，以确保原材料的均匀性。
然后，我们将混合后的原材料进行球磨。
通过球磨机的作用，可以使得原材料更加细化，提高其活性和可塑性。
接着，我们需要将球磨后的原材料进行干燥。
将湿润的原材料放入干燥箱中进行干燥，以除去其中的水分，以便后续的成型操作。
然后，我们需要将干燥后的原材料进行筛分。
通过筛分操作，可以确保原材料的颗粒大小的均匀性，以便后续的成型和烧结操作。
接下来，我们需要将筛分后的原材料进行成型。
根据不同的产品要求，选择不同的成型方法，常见的有注塑成型、压制成型等。
通过成型操作，将原材料转化为所需的形状和尺寸。
然后，我们需要将成型后的原材料进行烧结。
将成型后的原材料放入烧结炉中进行高温烧结，以使得原材料中的粒子结合成坚固的结构，并形成压电效应。
最后，我们需要对烧结后的产品进行表面处理。
通过抛光、打磨、清洗等操作，使得产品表面光滑细腻，以提高产品的质量和外观。
以上就是压电陶瓷工艺流程的一般步骤和操作。
通过以上的工艺流程，原材料可以经过一系列的加工和处理，最终得到满足产品要求的压电陶瓷产品。
这些压电陶瓷产品广泛应用于传感器、换能器、微波器件等领域，为人们的生活和工作提供了便利。
压电陶瓷的压电原理及制作工艺
在强电场的作用下，使陶瓷内部产生电畴， 即压电效应的微观结构。
老炼
在高温和高电压下对极化后的陶瓷进行长时 间的老炼处理，以进一步提高其性能。
05
压电陶瓷的发展趋势与展望
高性能化
高压电电压常数
随着科技的发展，对压电陶瓷的 电压常数要求越来越高，以提高
其转换效率和应用范围。
高机械品质因数
机械品质因数是衡量压电陶瓷性能 的重要参数，提高其数值有助于降 低能量损耗，提高陶瓷的稳定性。源自电学品质因数总结词
电学品质因数反映了压电陶瓷的介电能与机械能之比，是评价其能量转换效率的 重要参数。
详细描述
高品质的压电陶瓷具有较高的电学品质因数，意味着其介电能转换为机械能的效 率高，能量损失小。
非线性效应
总结词
压电陶瓷在极化处理后具有显著的压 电效应和非线性效应。
详细描述
在极化处理后，压电陶瓷的压电常数 会随施加电压的增加而增大，表现出 非线性效应。这种非线性效应使得压 电陶瓷在某些应用中具有更高的性能 表现。
详细描述
压电陶瓷的压电常数、介电常数等性能参数随温度变化较小 ，具有良好的温度稳定性，使其在温度变化的环境中仍能保 持稳定的压电性能。
机械品质因数
总结词
机械品质因数反映了压电陶瓷的机械能与介电能之比，是评价其能量转换效率 的重要参数。
详细描述
高品质的压电陶瓷具有较高的机械品质因数，意味着其机械能转换为介电能的 效率高，能量损失小。
压电方程
压电方程定义
压电方程是描述压电陶瓷在机械力和 电场作用下的关系，是描述压电效应 的数学模型。
常用的压电方程
常用的压电方程包括d33E、g33E等， 其中d33E表示在3方向上施加单位力 时，材料产生的电荷量与施加的电压 之间的关系。
PZT陶瓷制备
PZT陶瓷制备一、PZT陶瓷制备的工艺流程压电陶瓷生产的工艺流程（以传统固相烧结为例）为：配料→球磨→过滤、干燥→预烧→二次球磨→过滤、干燥→过筛→成型→排塑→烧结→精修→上电极→烧银→极化→测试。
1、原料处理首先，根据化学反应式配料。
所用的原料大多数是金属氧化物，少数也可以是碳酸盐（预烧时可分解为氧化物）。
为使生成压电陶瓷的化学反应顺利进行，要求原料细度一般不超过2μm（平均直径）。
提高原料纯度有利于提高产品质量。
通常使用转动球磨机或震动球磨机进行原料混合及粉碎。
另外，在生产中往往还使用气流粉碎法，用高压气流的强力破碎作用，使粉料形成雾状，由于不用球石，可以避免杂质混入，且效率高。
2、预烧中的反应过程预烧过程一般需要经过四个阶段：线性膨胀（室温—400℃）固相反应（400—750℃）收缩（750—850℃）晶粒生长（800-900℃以上）在固相反应过程中，反应可分为四个区域，如图1[1]所示，分别对应于如下的化学过程：区域Ⅰ：未反应；区域Ⅱ：Pb+TiO2→PbTiO3；区域Ⅲ：PbTiO3+PbO+ZrO2→Pb(Zr1-x Ti x)O3；区域Ⅳ：Pb(Zr1-x Ti x)O3系统的反应区域+PbTiO3→Pb(Zr1-x’Ti x’)O3(x＜x’)。
图1 2PbO-TiO2-ZrO2系统的反应区域●—X射线测得点；○化学分析测得点，旁边数字代表已反应的PbO的百分数，烧结时间为零指刚到炉温的时刻；P—正交PbO；Z—单斜ZrO2；T—四方TiO2；PT—四方PbTiO3；PZT—Pb(Zr1-x Ti x)O3固定保温时间2h，改变预烧温度，随着温度的升高，在540℃左右，进入区域Ⅱ，形成PbTiO3；在650℃左右，进入区域Ⅲ，TiO2消失，Pb（Zr,Ti）O3形成；在710℃左右，进入区域Ⅳ，PbO和ZrO2消失；到1200℃时，PbTiO3消失，成为单相的Pb（Zr，Ti）O3。
压电陶瓷工艺流程
压电陶瓷工艺流程
压电陶瓷工艺流程一般包括以下几个步骤：
1. 原料准备：选择适合的原料，一般使用铅酸锆和钛酸钡等材料，按照比例混合搅拌，制备出合适的陶瓷粉末。
2. 增湿：将陶瓷粉末与一定量的水混合，使用搅拌器进行搅拌，使粉体与水充分混合。
3. 压制：将混合好的粉末放入模具中，使用压力机对粉末进行压制成型。
通常采用的方法有冲击压制和等静压制两种。
4. 干燥：将成型好的陶瓷坯体放入干燥室进行干燥处理，去除水分。
可以采用自然晾干或者烘干的方式。
5. 烧结：将经过干燥处理的陶瓷坯体放入高温烘炉中进行烧结。
通过控制烧结温度和时间，使陶瓷粉末发生结晶和结合，形成致密的陶瓷块。
6. 精加工：对烧结好的陶瓷块进行机械加工，如切割、磨削等，将其加工成具有特定形状和尺寸的陶瓷产品。
7. 检验：对加工好的陶瓷产品进行质量检验，如厚度、尺寸、电性能等。
8. 包装：将合格的陶瓷产品进行包装，以便储存和运输。
以上是一般常见的压电陶瓷工艺流程，具体的工艺和步骤可能因产品类型和工艺要求的不同而有所差异。
压电陶瓷的制备工艺
压电陶瓷的制备工艺压电陶瓷是一种具有压电效应的陶瓷材料，具有较高的压电效能和稳定的性能，在压电设备和传感器等领域有广泛应用。
下面将详细介绍压电陶瓷的制备工艺。
压电陶瓷制备工艺主要包括粉体制备、成型、烧结和后处理等步骤。
不同的压电陶瓷材料具有不同的制备工艺，下面将以铅锆钛酸钡（PZT）陶瓷为例进行介绍。
粉体制备是制备压电陶瓷的第一步，其目的是制备出具有良好压电性能的粉体。
一般来说，将过程原料中的铁氧体、碳酸钡、氧化钛和氧化铅等按一定比例混合，然后进行球磨或者其他研磨方法，使其成为微米级的均匀混合物。
成型是将粉体按照设计要求的形状和尺寸进行成型的过程。
常见的成型方法有压制和注射成型两种。
压制方法一般采用球形粉末和模具来制备成型，通过施加足够的压力使其形成所需形状。
注射成型是将粉料和有机胶进行混合，然后将该混合物注入到模具中，并通过脱模焙烧使其成型。
烧结是将成型后的陶瓷坯体加热到一定温度下，使其形成致密的陶瓷体的过程。
具体的烧结温度和时间需要根据不同的陶瓷材料来确定。
在烧结过程中，陶瓷体会发生晶粒长大和析出等变化，从而使其压电性能得到增强。
烧结后的陶瓷体需要进行后处理，主要是为了获得更好的性能。
常见的后处理方法包括水热处理、陶瓷体极化和金属电极附着等。
水热处理是将烧结后的陶瓷体放置在水中进行一定时间的处理，可以进一步提高其致密性和机械性能。
陶瓷体极化是将陶瓷体置于磁场中进行极化处理，通过改变材料的电极化方向来改善其压电性能。
金属电极附着是在陶瓷体上涂覆金属电极，以增加电极附近的压电效应。
除了以上步骤，压电陶瓷的制备还需要控制制备条件、优化配方和选择合适的烧结工艺等。
这些因素都会影响到压电陶瓷的性能和制备效果。
总结起来，压电陶瓷的制备工艺主要包括粉体制备、成型、烧结和后处理等步骤。
在制备过程中需要考虑到原材料的选择和比例、成型和烧结参数的控制以及后处理的优化等因素。
通过合理的制备工艺，可以获得具有良好压电性能和稳定性能的压电陶瓷材料。
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压电陶瓷的生产工艺压电陶瓷的生产工艺大致与普通陶瓷的生产工艺相似，但压电陶瓷的生产工艺有自己的特点，所以，在此以PZT即Pb（Zr,Ti）03系陶瓮为主，介绍压电陶瓷的必要工序及制作方法。
压电陶瓷的主要工艺流程：
配料——球磨——过滤、干燥——预烧——二次球磨——过滤、干燥——过筛——成型——排塑——烧结——精修——上电极——烧银
——极化——测试。
O1原料处理
首先，根据化学反应式配料。
所用的原料大多为金属氧化物，少数也可用碳酸盐（预烧时便分解为氧化物）。
为使生成压电陶瓷的化学反应顺利进行，要求原料细度一不超过2μm（平均直径）。
提高原料纯度，有利于提高产品质量，但这个问题不是绝对的，使用纯度较低廉的原料,选择适当的工艺条件，同样可以生产出性能优良的产品。
通常使用转动球磨机或振动球磨机进行原料混合及粉碎。
另外，在生产中往往还使用气流粉碎法，用高压气流的强力破碎作用，使粉料形成雾状，由于不用球石，可以避免杂质混入，而且效率提高。
预烧中的反应过程：预烧过程一般须经过四个阶段：线性膨胀(室温〜400℃)z固相反应(400~750°C),收缩(750~850°C)和晶粒生长(800〜900。
C 以上)o
02成型和排塑
原料经预烧后，就合成了固溶体化合物。
再经一次粉碎，便可成型。
成型可根据不同的要求采用轧膜、压型或等静压等方式。
成型之前需加入粘合剂。
对轧膜的情况，粘合剂一般是粉料质量的15%〜20%,对压型的情况只需加5%左右。
过多的粘合剂会使制品的致密度降低。
成型后生坯中的粘合剂、水分等必须加温排去，称为排塑或排胶。
03烧结
排塑后的生坯重新装炉烧结。
影响烧结的因素很多，首先是配方的化学组成，当配方组成中有足够的活动离子时，烧结容易进行。
例如，PZT中错离子活动性差，所以PZT中错含量增加，烧结温度升高，烧结困难。
添加物对改善压电陶瓷性能和压电陶瓷的烧结起很大作用。
〃软性〃添加物的共同特点是可以使陶瓷性能往"软”的方面变化，也就是提高弹性柔顺系数，降低机械品质因子Qm值，提高介电常数，增大介电损耗。
由于〃软性〃添加物加入固溶体中时形成A位置空位,所以又称为产生A空位添加物。
由于烧结过程中形成了阳离子空位，从而大大加速离子扩散过程，促进压电陶瓷烧结。
〃硬性〃添加物是指进入A位置的K+、Na+以及进入B位置的Fe2+、Co2+、
Mn2+、Ni2+、Mg2+等金属离子。
〃硬性〃添加物的作用正好与〃软性〃添加物作用相反，能使压电陶瓷的性能向''硬〃的方向发展，也就是说，
使介电损耗降低，提高机械品质因子Qm值，提高介电常数。
〃硬性''添加物所起的作用是主作用，在晶格中，它引起氧空位，使晶胞产生收缩，降低扩散速度，因而使压电陶瓷难以烧结。
加入产生液相的添加物（如MgQMnO等），可降低烧结温度，但烧结温度范围变窄。
添加能限制晶粒长大的添加物（如Fe3+z AI3+z Cr3+等），可形成有限固溶体，随着烧结过程的进行，晶格缺陷得到矫正，溶解度降低，使得已固溶的添加物在晶界析出，形成第二相，可以起到抑制晶粒长大的作用，从而提高陶瓷的抗折强度。
压电陶瓷的烧成应在氧化气氛中进行。
特别是组成中有1a3+、Nb5+等添加物时，对它们烧结后往往还要进行氧化处理，以保证产生阳离子空位，使游离电子数目减少，提高压电性能。
压电陶瓷烧结过程中PbO的挥发对产品的质量影响很大。
由于PbO挥发，破坏了配方的化学组成，导致Pb（Zr,Ti）03的分解，出现非铁电相Zro2,使陶瓷内部气孔率增加，难以烧结。
04上电极
烧成的陶瓷经精修、研磨、清洁后，就可以被覆上电极。
被覆电极一般采用涂布银浆烘干，然后装炉，加热到750。
C,保温10~20min,使银浆中的氧化银还原为银，并烧渗到陶瓷表面，形成牢固结合层。
也可采用真空蒸镀或化学沉积等办法来被电极。
被上电极的产品便可进行人工极化处理。
05极化
压电陶瓷必须经过极化后才有压电性。
极化就是在直流电场作用下使电畴沿电场方向取向。
为使极化充分进行，应当提高极化场。
极化电场大小主要取决于矫顽场强和饱和场强。
极化场强一定要大于矫顽场强，才能使电畴发生反转。
但提高场强容易引起击穿，这就限制了极化电场的提高。