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1、 压电陶瓷压电原理、压电陶瓷压电原理、应用与制作工艺应用与制作工艺湖北大学材料科学与工程学院湖北大学材料科学与工程学院压电陶瓷技术研究所压电陶瓷技术研究所周周 桃桃 生生内内 容容压电陶瓷的用途压电陶瓷的用途压电陶瓷的压电原理压电陶瓷的压电原理压电陶瓷的制作工艺压电陶瓷的制作工艺配料配料预烧预烧混合和粉碎混合和粉碎成型与排塑成型与排塑 烧结烧结 极化极化压电陶瓷的压电原理压电陶瓷的压电原理压电现象与压电效应压电现象与压电效应压电陶瓷因受力压电陶瓷因受力形变而产生电的形变而产生电的效应，称为效应，称为正压正压电效应电效应。压电陶瓷点火示意图压电陶瓷点火示意图 气体喷嘴气体喷嘴高高压压引引线线压压
2、电电振振子子磷磷铜铜片片压压电电振振子子外外壳壳叩叩击击机机构构压电蜂压电蜂鸣器鸣器 压电陶瓷的压电原理压电陶瓷的压电原理压电现象与压电效应压电现象与压电效应 压电陶瓷因加电压而产生形变的效应，称压电陶瓷因加电压而产生形变的效应，称为为逆压电效应逆压电效应。节点支承节点支承边缘支承边缘支承中心支承中心支承压电陶瓷内部结构压电陶瓷内部结构(压电陶瓷是多晶体压电陶瓷是多晶体)压电陶瓷的压电原理压电陶瓷的压电原理 压电陶瓷压电陶瓷由由小晶粒小晶粒无规无规则镶嵌成，如则镶嵌成，如图所示。图所示。BSPTBSPT压电陶瓷断面压电陶瓷断面SEMSEM照片照片 压电陶瓷的压电原理压电陶瓷的压电原理压电陶瓷内
3、部结构压电陶瓷内部结构(压电陶瓷是多晶体压电陶瓷是多晶体)陶瓷显微结构陶瓷显微结构 每个小晶粒微每个小晶粒微观上是由原子或离观上是由原子或离子有规则排列成子有规则排列成晶晶格格，可看为一粒小，可看为一粒小单晶。单晶。原子在空间排列成晶格示意图原子在空间排列成晶格示意图压电陶瓷的压电原理压电陶瓷的压电原理压电陶瓷内部结构压电陶瓷内部结构(压电陶瓷是多晶体压电陶瓷是多晶体)每个小晶粒内还具有每个小晶粒内还具有铁电畴铁电畴。PZTPZT陶瓷中电畴结构显微照片陶瓷中电畴结构显微照片压电陶瓷的压电原理压电陶瓷的压电原理压电陶瓷内部结构压电陶瓷内部结构(压电陶瓷是多晶体压电陶瓷是多晶体)整体看来，整体看来
4、，晶粒与晶粒的晶晶粒与晶粒的晶格方向不一定相格方向不一定相同，排列是无规同，排列是无规则的。这样的结则的。这样的结构称其为构称其为多晶体多晶体。晶粒的晶格取向示意图晶粒的晶格取向示意图压电陶瓷的压电原理压电陶瓷的压电原理压电陶瓷内部结构压电陶瓷内部结构(压电陶瓷是多晶体压电陶瓷是多晶体)钙钛矿型的晶胞结构钙钛矿型的晶胞结构压电陶瓷的压电原理压电陶瓷的压电原理压电陶瓷内部结构压电陶瓷内部结构(压电陶瓷的晶胞压电陶瓷的晶胞)压电压电陶陶瓷的晶胞瓷的晶胞结结构随温度的构随温度的变变化有所化有所变变化。化。钛酸钡晶胞结构随温度的转变钛酸钡晶胞结构随温度的转变压电陶瓷的压电原理压电陶瓷的压电原理压电陶瓷
5、内部结构（晶胞与自发极化）压电陶瓷内部结构（晶胞与自发极化）这种电极化不是由外电场产生，而是由晶体自这种电极化不是由外电场产生，而是由晶体自身产生的，所以成为身产生的，所以成为自发极化自发极化，其相变温度，其相变温度TC称称为为居里温度居里温度。BTBT中自发极化产生示意图中自发极化产生示意图 压电陶瓷的压电原理压电陶瓷的压电原理压电陶瓷内部结构（晶胞与自发极化）压电陶瓷内部结构（晶胞与自发极化）c轴方向决定自发极化取向轴方向决定自发极化取向能量最低原则决定畴结构能量最低原则决定畴结构晶粒中形成晶粒中形成一定的小区一定的小区排列状排列状态态畴畴结结构构晶胞自晶胞自发发极化取向极化取向一致小区的
6、存在一致小区的存在自自发发极化取向不一极化取向不一致小区的搭配致小区的搭配晶格匹配要求晶格匹配要求能量最低要求能量最低要求相结构决定畴壁类型相结构决定畴壁类型压电陶瓷的压电原理压电陶瓷的压电原理压电陶瓷内部结构（电畴形成）压电陶瓷内部结构（电畴形成）压电陶瓷的压电原理压电陶瓷的压电原理 因为晶粒为四方相时，自发极化取向与原因为晶粒为四方相时，自发极化取向与原反应立方相三个晶轴之一平行，所以，相邻两反应立方相三个晶轴之一平行，所以，相邻两个畴中自发极化方向只能成个畴中自发极化方向只能成90角或角或180角，角，相应电畴交界面就分别称为相应电畴交界面就分别称为90畴壁畴壁和和180畴畴壁壁。四方相
7、晶体四方相晶体90畴壁和畴壁和180畴畴示意图示意图 压电陶瓷内部结构（电畴形成）压电陶瓷内部结构（电畴形成）电畴在外电场作用下的运动电畴在外电场作用下的运动 a a）极化前）极化前 （b b）极化过程（）极化过程（c c）极化后）极化后 压电陶瓷在极化中电畴变化示意图压电陶瓷在极化中电畴变化示意图压电陶瓷的压电原理压电陶瓷的压电原理压电陶瓷内部结构（电畴的运动）压电陶瓷内部结构（电畴的运动）在交变电场作用下，在交变电场作用下，因电畴与自发极化的运动，因电畴与自发极化的运动，压电陶瓷可观察到压电陶瓷可观察到电滞回电滞回线线，即具有，即具有铁电性铁电性。图中，图中，PS为自发极化为自发极化强度，
8、强度，Pr为剩余极化强度，为剩余极化强度，EC为矫顽场强。压电陶瓷为矫顽场强。压电陶瓷极化工序中，一般选择电极化工序中，一般选择电场强度为场强度为2-3倍的倍的EC。压电陶瓷的压电原理压电陶瓷的压电原理压电陶瓷内部结构（电畴与电滞回线）压电陶瓷内部结构（电畴与电滞回线）第一次极化第一次极化以后的极化以后的极化压电效应的再理解压电效应的再理解瓷片内束缚电荷与电极上吸附自由电荷示意图瓷片内束缚电荷与电极上吸附自由电荷示意图 压电陶瓷的压电原理压电陶瓷的压电原理正压电效应示意图正压电效应示意图 瓷片压缩，极化瓷片压缩，极化强度变小，释放部分强度变小，释放部分吸附自由电荷，出现吸附自由电荷，出现放电现
9、象。放电现象。F撤除，撤除，瓷片回复原状，极化瓷片回复原状，极化强度变大，吸附一些强度变大，吸附一些自由电荷，出现充电自由电荷，出现充电现象。这种由机械能现象。这种由机械能转变为电能的现象，转变为电能的现象，称为称为正压电效应正压电效应。压电陶瓷的压电原理压电陶瓷的压电原理压电效应的再理解压电效应的再理解逆压电效应示意图逆压电效应示意图 在瓷片上施加在瓷片上施加与极化方向相同电与极化方向相同电场。极化强度增大，场。极化强度增大，瓷片发生伸长形变。瓷片发生伸长形变。反之则发生缩短形反之则发生缩短形变。这种由电能转变。这种由电能转变为机械能的现象，变为机械能的现象，称为称为逆压电效应逆压电效应。压
10、电陶瓷的压电原理压电陶瓷的压电原理压电效应的再理解压电效应的再理解压电陶瓷的用途压电陶瓷的用途应应用用领领域域举举 例例电电源源压电变压压电变压器器雷达，雷达，电视显电视显像管，阴极射像管，阴极射线线管，盖克技管，盖克技术术管，管，激光管和激光管和电电子复制机等高子复制机等高压电压电源和源和压电压电点火装置点火装置信号源信号源标标准信号源准信号源振振荡荡器，器，压电压电音叉，音叉，压电压电音片等用作精密音片等用作精密仪仪器中器中的的时间时间和和频频率率标标准信号源准信号源信号信号转换转换电电声声换换能器能器拾声器，送拾声器，送话话器，受器，受话话器，器，扬扬声器，蜂声器，蜂鸣鸣器等声器等声频频
11、范范围围的的电电声器件声器件发发射射 与接收与接收超声超声换换能器能器超声切割，超声切割，焊焊接，清洗，接，清洗，搅搅拌，乳化及超声拌，乳化及超声显显示示等等频频率高于率高于20KHz的超声器件，的超声器件，压电马压电马达，探达，探测测地地质质构造，油井固构造，油井固实实程度，无程度，无损损探探伤伤和和测测厚，催厚，催化反化反应应，超声衍射，疾病，超声衍射，疾病诊诊断等各种工断等各种工业业用的超用的超声器件声器件水声水声换换能器能器水下水下导导航定位，通航定位，通讯讯和探和探测测的声的声纳纳，超声探，超声探测测，鱼鱼群探群探测测和和传传声器等声器等信信号号 处处理理滤滤波器波器通通讯讯广播中所
12、用各种分立广播中所用各种分立滤滤波器和复合波器和复合滤滤波器，如彩波器，如彩电电中中频滤频滤波器；雷达，自控和波器；雷达，自控和计计算系算系统统所用所用带带通通滤滤波器，脉冲波器，脉冲滤滤波器等波器等放大器放大器声表面信号放大器以及振声表面信号放大器以及振荡荡器，混器，混频频器，衰减器，隔离器等器，衰减器，隔离器等表面波表面波导导声表面波声表面波传输线传输线传传感感与与计计测测加速度加速度计计压压力力计计工工业业和航空上和航空上测测定振定振动动体或体或飞飞行器工作状行器工作状态态加速度加速度计计，自，自动动控控制开关，制开关，污污染染检测检测用振用振动计动计以及流速以及流速计计，流量，流量计计
13、和液面和液面计计等等角速度角速度计计测测量物体角速度及控制量物体角速度及控制飞飞行器航向的行器航向的压电压电陀螺陀螺红红外探外探测计测计监视领监视领空，空，检测检测大气大气污污染染浓浓度，非接触式度，非接触式测测温以及温以及热热成像，成像，热热电电探探测测、跟踪器等、跟踪器等位移与致位移与致动动器器激光激光稳频补偿稳频补偿元件，元件，显显微加工微加工设备设备及光角度，光程及光角度，光程长长的控制器的控制器存存贮贮调调制制电电光和声光光和声光调调制的光制的光阀阀，光，光闸闸，光，光变频变频器和光偏器和光偏转转器，声开关器，声开关存存贮贮光信息存光信息存贮贮器，光器，光记忆记忆器器显显示示铁电显铁
14、电显示器，声光示器，声光显显示器等示器等其它其它非非线线性元件性元件压电继电压电继电器等器等压电陶瓷的用途压电陶瓷的用途压电陶瓷的用途压电陶瓷的用途压电陶瓷泵压电陶瓷泵阀阀出口出口压电陶瓷压电陶瓷换能器换能器进口进口压电陶瓷的用途压电陶瓷的用途压电陶瓷喷墨打印压电陶瓷喷墨打印金属片金属片圆锥形容器圆锥形容器内液层内液层外墨水池外墨水池喷嘴喷嘴金属膜金属膜墨水墨水压电陶瓷压电陶瓷换能器换能器输入信号输入信号压电陶瓷的用途压电陶瓷的用途254311.焊接程序控制器；焊接程序控制器；2.超声发生器；超声发生器；3.换能器声学系统；换能器声学系统；4.焊件；焊件；5.工作台工作台压电陶瓷超声波焊接压电
15、陶瓷超声波焊接压电陶瓷的用途压电陶瓷的用途压电陶瓷超声波焊接压电陶瓷超声波焊接压电陶瓷的用途压电陶瓷的用途压电陶瓷加湿器压电陶瓷加湿器雾气出口雾气出口水箱水箱压电振子压电振子水水雾雾风机风机压电陶瓷的用途压电陶瓷的用途压电陶瓷加湿器压电陶瓷加湿器压电陶瓷的用途压电陶瓷的用途压电陶瓷变压器（升压型）压电陶瓷变压器（升压型）输入端输入端极化方向极化方向极化方向极化方向驱动部分驱动部分发电部分发电部分振动方向振动方向输出端输出端twl/2tw压电陶瓷的用途压电陶瓷的用途压电陶瓷变压器（降压型）压电陶瓷变压器（降压型）压电陶瓷的用途压电陶瓷的用途 压电陶瓷压电陶瓷复印机电源复印机电源压电陶瓷的用途压电
16、陶瓷的用途笔记本电脑背光电源笔记本电脑背光电源压电陶瓷的用途压电陶瓷的用途压电陶瓷变压器压电陶瓷变压器便携式激光电源便携式激光电源压电陶瓷的用途压电陶瓷的用途激光血管内激光血管内照射治疗仪照射治疗仪压电陶瓷的用途压电陶瓷的用途压电陶瓷极化台压电陶瓷极化台压电陶瓷的用途压电陶瓷的用途压电变压器电警棍压电变压器电警棍压电陶瓷的用途压电陶瓷的用途压电陶瓷变压器雷压电陶瓷变压器雷达显示器高压电源达显示器高压电源压电陶瓷的用途压电陶瓷的用途压电陶瓷变压器（升压型）压电陶瓷变压器（升压型）压电陶瓷的用途压电陶瓷的用途压电陶瓷变压器（降压型）压电陶瓷变压器（降压型）压电陶瓷的用途压电陶瓷的用途压电陶瓷水声设
17、备压电陶瓷水声设备（1 1）水声通讯）水声通讯仪；（仪；（2 2）主动）主动式声纳（回声式声纳（回声定位仪）；定位仪）；（3 3）被动式声）被动式声纳纳压电陶瓷的用途压电陶瓷的用途压电陶瓷超声马达（驻波型）压电陶瓷超声马达（驻波型）123451.1.压电元件；压电元件；2.2.弹性衬垫；弹性衬垫；3.3.弹簧；弹簧；4.4.转子；转子；5.5.磨衬垫磨衬垫压电陶瓷的用途压电陶瓷的用途压电陶瓷超声马达（行波型）压电陶瓷超声马达（行波型）压电陶瓷的用途压电陶瓷的用途压电陶瓷超声马达压电陶瓷超声马达压电陶瓷超声马达（行波型）压电陶瓷超声马达（行波型）环形压电马达工作原理环形压电马达工作原理压电陶瓷的
18、用途压电陶瓷的用途压电陶瓷超声马达压电陶瓷超声马达压电陶瓷的用途压电陶瓷的用途压电陶瓷超声马达压电陶瓷超声马达压电陶瓷的用途压电陶瓷的用途压电陶瓷超声马达压电陶瓷超声马达基于压电驱动器杆状微马达（摄像用）基于压电驱动器杆状微马达（摄像用）压电陶瓷的用途压电陶瓷的用途压电陶瓷超声马达压电陶瓷超声马达压电陶瓷的用途压电陶瓷的用途超声马达在国外已应用的领域超声马达在国外已应用的领域智能飞机磁悬浮列车汽车手机人造卫星细胞穿刺智能药片（压电泵）集成式 USM彩色复印机火星探测器半导体制造业照相机手表昆虫机器人变形机翼（应用压电作动器）天文望远镜空中机器人太空机器手压电陶瓷的用途压电陶瓷的用途南京航空航天
19、大学研制的部分超声马达及其应用南京航空航天大学研制的部分超声马达及其应用无磁性USM双模态步进USM三自由度USM带编码器USM大推力直线USM便携式汽油发动机云台控制系统方板型直线USM移动机器人核磁共振注射器关节机器手X-Y运动台（直线USM）行波型杆式USM模态转换型USM用于二元机翼模型试验非接触性USMX-Y运动台（旋转USM）压电陶瓷的用途压电陶瓷的用途压电陶瓷驱动器压电陶瓷驱动器压电陶瓷的用途压电陶瓷的用途压电陶瓷驱动器压电陶瓷驱动器压电陶瓷的用途压电陶瓷的用途压电陶瓷驱动器压电陶瓷驱动器基于压电驱动器的全方位微移动平台基于压电驱动器的全方位微移动平台压电陶瓷的用途压电陶瓷的用途
20、压电陶瓷超声清压电陶瓷超声清洗洗压电陶瓷的用途压电陶瓷的用途压电陶瓷换能器压电陶瓷换能器压电陶瓷的用途压电陶瓷的用途压电陶瓷电声元器件压电陶瓷电声元器件蜂鸣器蜂鸣器扬声器扬声器压电陶瓷的用途压电陶瓷的用途压电陶瓷电声元器件压电陶瓷电声元器件压电陶瓷的用途压电陶瓷的用途压电陶瓷探伤仪压电陶瓷探伤仪压电陶瓷的用途压电陶瓷的用途压电陶瓷测厚仪压电陶瓷测厚仪压电陶瓷的用途压电陶瓷的用途压电陶瓷点火元器件压电陶瓷点火元器件压电陶瓷的用途压电陶瓷的用途压电陶瓷发电（框图）压电陶瓷发电（框图）压电陶瓷的用途压电陶瓷的用途压电陶瓷发电（鞋）压电陶瓷发电（鞋）压电陶瓷的用途压电陶瓷的用途基于压电陶瓷光纤的自供电
21、系统及应用基于压电陶瓷光纤的自供电系统及应用 压电光纤用作能量采集器压电光纤用作能量采集器 压电陶瓷的制作工艺压电陶瓷的制作工艺压电陶瓷的制作过程主要步骤压电陶瓷的制作过程主要步骤 极极化化测测试试上上电电极极机机加加工工配配料料混混合合预预烧烧粉粉碎碎成成型型排排胶胶烧烧成成配料（原料的选择和处理）配料（原料的选择和处理）压电陶瓷的制作工艺压电陶瓷的制作工艺 原料原料是制备压电陶瓷的是制备压电陶瓷的基础基础。选择原料一。选择原料一般应注意其化学组成和物理状态。般应注意其化学组成和物理状态。(1)纯度纯度 对纯度的要求应适度。对纯度的要求应适度。高高纯原料，价格昂纯原料，价格昂贵，贵，烧结温度
22、高，温区窄烧结温度高，温区窄。纯度。纯度稍低稍低的原料，的原料，有的杂质可起矿化和助熔的作用，反而使有的杂质可起矿化和助熔的作用，反而使烧结烧结温度较低，且温区较宽温度较低，且温区较宽。过低纯度原料杂质多，。过低纯度原料杂质多，不宜采用。不宜采用。(2)杂质含量杂质含量 压电陶瓷的制作工艺压电陶瓷的制作工艺配料（原料的选择和处理）配料（原料的选择和处理）杂质允许量主要根据以下三点因素决定：杂质允许量主要根据以下三点因素决定：1)杂质类型杂质类型 有害杂质有害杂质 对材料绝缘、介电对材料绝缘、介电性等影响极大的杂质，特别是异价离子。如性等影响极大的杂质，特别是异价离子。如B、C、P、S、Al等，
23、愈少愈好。等，愈少愈好。有利杂质有利杂质 与材料与材料A、B位离子电价相同、半径接近，能位离子电价相同、半径接近，能形成置换固溶的杂质。如形成置换固溶的杂质。如Ca2+、Sr2+、Ba2+、Mg2+、Sn4+、Hf4+等离子，一般在等离子，一般在0.20.5%范范围内，坏的影响不大，甚至有利围内，坏的影响不大，甚至有利。压电陶瓷的制作工艺压电陶瓷的制作工艺 2)材料类型材料类型配料（原料的选择和处理）配料（原料的选择和处理）接收型压电陶瓷材料接收型压电陶瓷材料 已引入了降低电导率和老化率的高价施主杂质，已引入了降低电导率和老化率的高价施主杂质，原料中在原料中在0.5%以内以内的杂质不足以显著影
24、响施主杂质的杂质不足以显著影响施主杂质的既定作用。的既定作用。发射型压电陶瓷材料发射型压电陶瓷材料 要求低机电损耗，因而配料中的杂质总量，愈少要求低机电损耗，因而配料中的杂质总量，愈少愈好，一般希望在愈好，一般希望在0.05%以下以下。对于为了提高其它。对于为了提高其它性能参数的有意添加物，另当别论。性能参数的有意添加物，另当别论。3)原料在配方中的比例原料在配方中的比例配料（原料的选择和处理）配料（原料的选择和处理）压电陶瓷的制作工艺压电陶瓷的制作工艺在在PZT配方中，比例大的原料配方中，比例大的原料Pb3O4、ZrO2、TiO2分别占重量比的分别占重量比的60%、20%和和10%左右，若杂
25、质多，引入杂质总量也多。左右，若杂质多，引入杂质总量也多。因此，要求杂质总含量均不超过因此，要求杂质总含量均不超过2%，即要求，即要求纯度均在纯度均在98%以上。以上。配方中比例小的其它原料，杂质总含量配方中比例小的其它原料，杂质总含量可稍高一些，一般均在可稍高一些，一般均在3%以下，即要求纯度以下，即要求纯度均在均在97%以上，特殊要求例外。以上，特殊要求例外。压电陶瓷的制作工艺压电陶瓷的制作工艺(3)稳定性与活泼性稳定性与活泼性配料（原料的选择和处理）配料（原料的选择和处理）稳定性稳定性是指未进行固相反应前原料本身的稳是指未进行固相反应前原料本身的稳定性。如碱金属和碱土金属氧化物易与水作用
26、，定性。如碱金属和碱土金属氧化物易与水作用，在空气中不易保存，不稳定。如在空气中不易保存，不稳定。如Na、Ca、Ba、Sr、Mg的氧化物，不宜采用。宜采用与水不起的氧化物，不宜采用。宜采用与水不起作用、稳定的、加热又能分解出活泼性大的新鲜作用、稳定的、加热又能分解出活泼性大的新鲜氧化物的相应的碳酸盐。如氧化物的相应的碳酸盐。如Na2CO3、CaCO3、SrCO3、BaCO3、MgCO3等。等。压电陶瓷的制作工艺压电陶瓷的制作工艺 活泼性活泼性是指在固相反应中原料本身的活是指在固相反应中原料本身的活泼性。活泼性好的原料能促使固相反应完泼性。活泼性好的原料能促使固相反应完全，利于降低合成温度，减少
27、铅挥发如全，利于降低合成温度，减少铅挥发如Pb3O4原料比原料比PbO原料活泼性好。因其在原料活泼性好。因其在加热中可分解脱氧成新鲜活泼性大的加热中可分解脱氧成新鲜活泼性大的PbO。配料（原料的选择和处理）配料（原料的选择和处理）(3)(3)稳定性与活泼性稳定性与活泼性 压电陶瓷的制作工艺压电陶瓷的制作工艺(4)颗粒度颗粒度配料（原料的选择和处理）配料（原料的选择和处理）原料颗粒度要求原料颗粒度要求小于小于0.2m，微量添加物应更，微量添加物应更细。这样，可增加混料接触面积，利于互扩散反细。这样，可增加混料接触面积，利于互扩散反应，使组成均匀。还可减小陶瓷内应力，增加机应，使组成均匀。还可减小
28、陶瓷内应力，增加机械强度等。械强度等。原料处理方面有以下常用方法：原料处理方面有以下常用方法：采用的原料，若颗粒较粗，如采用的原料，若颗粒较粗，如MnO2、出厂、出厂未细磨的未细磨的ZrO2等等，必须细磨。可采取振磨、球磨、，必须细磨。可采取振磨、球磨、行星磨等，小量原料也可用研钵研细。行星磨等，小量原料也可用研钵研细。配料（原料的选择和处理）配料（原料的选择和处理）压电陶瓷的制作工艺压电陶瓷的制作工艺烘干烘干 为了不影响配料的准确性，含水原料必须为了不影响配料的准确性，含水原料必须进行烘干脱水处理。一般在电热式干燥箱中干进行烘干脱水处理。一般在电热式干燥箱中干燥。温度燥。温度110 120，
29、时间不少于，时间不少于4小时，直至小时，直至无水分为止。无水分为止。化学分析化学分析 在大批量生产压电陶瓷时，每批购进的原在大批量生产压电陶瓷时，每批购进的原料，因制造或分装的厂商不同、批次的不同，料，因制造或分装的厂商不同、批次的不同，其质量可能不同。因此，应抽样化验其纯度或其质量可能不同。因此，应抽样化验其纯度或杂质，检测其颗粒度，以保证压电陶瓷的性能。杂质，检测其颗粒度，以保证压电陶瓷的性能。(1)由原料的重量比来计算配方的方法由原料的重量比来计算配方的方法写出配写出配方的化学分子式；方的化学分子式；写出原料分子式、纯度，查写出原料分子式、纯度，查出分子量；出分子量；用以下公式计算各原料
30、所需用量用以下公式计算各原料所需用量 (i=1，2，n)(1)压电陶瓷的制作工艺压电陶瓷的制作工艺配料（配方计算）配料（配方计算）式中式中xi为为原料的原料的mol数，数，Mi为为mol质质量，量，xiMi为质为质量，量，Pi为纯为纯度；度；为配方量；为配方量；W为总配料用量。为总配料用量。(2)由原料由原料mol数比例来数比例来计计算配方的方法算配方的方法:写出写出配方的化学分子式配方的化学分子式;写出所用原料的分子式、写出所用原料的分子式、纯纯度，并度，并查查出其分子量出其分子量(mol质质量量);用以下公式用以下公式计计算各原料所需用量算各原料所需用量:(i=1，2，n)(2)式中式中X
31、为配料总为配料总mol数，其它同上。该方法计算比数，其它同上。该方法计算比较简单，特别是配方中以较简单，特别是配方中以mol百分比给出添加物百分比给出添加物时，常用此法。时，常用此法。压电陶瓷的制作工艺压电陶瓷的制作工艺配料（配方计算）配料（配方计算）压电陶瓷的制作工艺压电陶瓷的制作工艺称料要求：称料要求：称料与投料按称料与投料按大料大料 小料小料 大料大料顺顺序序，以保，以保证证小料在混合中的均匀性。小料在混合中的均匀性。严严防各原料算防各原料算错错、称、称错错、投投错错，要仔，要仔细检查细检查，严严格核格核对对 配料（称料）配料（称料）称料天平称料天平须须有一定精度。批量生有一定精度。批量
32、生产产中中,大料大料用用0.1 克精度天平，小料用克精度天平，小料用0.01 克精度天平。克精度天平。称料要称料要误误差小，速度快，以减少原料吸收差小，速度快，以减少原料吸收空气中水分而造成的空气中水分而造成的误误差。差。混合和粉碎混合和粉碎 混合混合是将称量好的原料混合均匀、相互接触，是将称量好的原料混合均匀、相互接触，以利于预烧时充分的化学反应。以利于预烧时充分的化学反应。压电陶瓷的制作工艺压电陶瓷的制作工艺 粉碎粉碎是将预烧好料块细化，达到一定的平均粒是将预烧好料块细化，达到一定的平均粒度和粒度分布，为成型和烧成创造有利条件。度和粒度分布，为成型和烧成创造有利条件。(1)(1)工艺方法工
33、艺方法 使用球磨机使用球磨机(滚筒式、行星式、搅拌式和振动滚筒式、行星式、搅拌式和振动式等球磨机式等球磨机)，加磨球，加磨球(钢球、玛瑙球、锆球等钢球、玛瑙球、锆球等)与介质与介质(水、酒精等水、酒精等)，对原料进行机械混合或粉，对原料进行机械混合或粉碎。碎。(2)工艺原理工艺原理 磨球靠电动机产生离心力、摩擦力和地心引力磨球靠电动机产生离心力、摩擦力和地心引力的共同作用，形成碰撞、循环翻动和自转等运动，的共同作用，形成碰撞、循环翻动和自转等运动，使介于其中的粉料受到冲击和摩擦研磨，从而达到使介于其中的粉料受到冲击和摩擦研磨，从而达到混合与粉碎细化。混合与粉碎细化。混合和粉碎混合和粉碎 压电陶
34、瓷的制作工艺压电陶瓷的制作工艺(3)球磨工艺球磨工艺 具体球磨工艺视不同球磨机而定，其合理的工具体球磨工艺视不同球磨机而定，其合理的工艺参数要通过实验结果艺参数要通过实验结果(球磨后混合均匀程度、粉球磨后混合均匀程度、粉料粒度大小与分布、混杂量、效率和成本等料粒度大小与分布、混杂量、效率和成本等)优选，优选，也可借鉴相关工艺参数。也可借鉴相关工艺参数。(4)(4)球磨球磨质质量的主要影响因素量的主要影响因素 ：球磨机球磨机转转速速（视视球磨机球磨机类类型、球磨罐大小等确定）型、球磨罐大小等确定）；球球磨罐磨罐(直径、内直径、内衬衬材料等材料等)；磨球磨球(比重、硬度、比重、硬度、形状、磨形状、
35、磨损损率率 ；粉料填充量粉料填充量(60%(60%左左右右)；粉料、球与磨介的比例（视粉料的吸水粉料、球与磨介的比例（视粉料的吸水性、球比重确定）；性、球比重确定）；磨介的作用磨介的作用(粘附、劈裂、粘附、劈裂、流动、分散等流动、分散等)；球磨时间（视球磨机类型、球磨时间（视球磨机类型、进料粒度而定）；进料粒度而定）；球磨方式球磨方式(干法、湿法干法、湿法)压电陶瓷的制作工艺压电陶瓷的制作工艺混合和粉碎混合和粉碎 压电陶瓷的制作工艺压电陶瓷的制作工艺预烧预烧 预烧预烧(合成合成)是通过原料中原子或离子之间在加热是通过原料中原子或离子之间在加热作用下的扩散来完成固相化学反应，生成瓷料的过程。作用
36、下的扩散来完成固相化学反应，生成瓷料的过程。(1)预烧预烧的目的的目的 使各原料的固相化学反应充分均匀，生成组成固使各原料的固相化学反应充分均匀，生成组成固定的固溶体，形成主晶相。定的固溶体，形成主晶相。排除原料中的二氧化碳和水分等，减小坯体的烧排除原料中的二氧化碳和水分等，减小坯体的烧成收缩、变形，以便于控制产品外形尺寸。成收缩、变形，以便于控制产品外形尺寸。(2)PZT压电瓷料的合成过程压电瓷料的合成过程 分析合成过程是理解与制定预烧工艺的基础。分析合成过程是理解与制定预烧工艺的基础。压电陶瓷的制作工艺压电陶瓷的制作工艺预烧预烧对对于于PZT瓷料的合瓷料的合成成过过程，人程，人们们通通过过
37、差差热热分析、化学分分析、化学分析、析、X射射线线分析等分析等手段手段获获得的得的结结果果见见图图所示。所示。PZT形成的差形成的差热热曲曲线线 压电陶瓷的制作工艺压电陶瓷的制作工艺 PZT合成时各相的变化合成时各相的变化 预烧预烧 压电陶瓷的制作工艺压电陶瓷的制作工艺 由图中以由图中以Pb3O4为原料的差热曲线可知：为原料的差热曲线可知：630的吸热效应是因的吸热效应是因Pb3O4分解为分解为PbO引引起，并开始形成起，并开始形成PbTiO3，到，到650形成形成PbTiO3的反应最为显著。的反应最为显著。预烧预烧 790是是PbOZrO2PbZrO3三元共融液三元共融液形成温度，但因为这时
38、大量存在的形成温度，但因为这时大量存在的PT 马上与马上与PZ生成生成PZT固溶体，所以这也是固溶体，所以这也是PZT开始形成开始形成的温度，该反应到的温度，该反应到850基本完成。基本完成。压电陶瓷的制作工艺压电陶瓷的制作工艺预烧预烧 压电陶瓷的制作工艺压电陶瓷的制作工艺反反应应B B：625625800 800 反反应应C C：800800以上以上 反应反应A A：350350680680预烧预烧预烧过程中相是随预烧过程中相是随温度变化的。由图温度变化的。由图可以把反应按温度可以把反应按温度范围分成三段：范围分成三段：压电陶瓷的制作工艺压电陶瓷的制作工艺(3)预烧工艺预烧工艺预烧预烧1)装
39、钵装钵 将粉料装钵，并压紧、扎孔、加盖入将粉料装钵，并压紧、扎孔、加盖入 炉。炉。500前炉门微开，之后关炉门。前炉门微开，之后关炉门。2)加热条件加热条件(以典型以典型PZT为例为例)升温速率升温速率：视炉内装料多少而定。：视炉内装料多少而定。最高温度最高温度：850左右左右(视配方而变化视配方而变化)保温时间保温时间：650左右保温左右保温1-2小时，以生成小时，以生成PT。850左右保温左右保温2小时，以生成小时，以生成PZT。降温速率降温速率：关电随炉冷却，至：关电随炉冷却，至200以下出炉。以下出炉。炉内气氛炉内气氛：以中性或氧化气氛为好；还原气氛导致：以中性或氧化气氛为好；还原气氛
40、导致 料粉还原发黑。硅碳棒炉好于电阻丝炉。料粉还原发黑。硅碳棒炉好于电阻丝炉。压电陶瓷的制作工艺压电陶瓷的制作工艺(4)预烧瓷料质量要求预烧瓷料质量要求 外观外观：颜色正常、均匀一致；有一定膨胀或收：颜色正常、均匀一致；有一定膨胀或收缩缩 (视具体配方视具体配方)；硬度适中。；硬度适中。化学分析化学分析：游离锆、钛、铅少，小于：游离锆、钛、铅少，小于0.5%相分析相分析：为钙钛矿相，无杂相。：为钙钛矿相，无杂相。预烧预烧(5)影响预烧的因素影响预烧的因素 原料活性及颗粒度原料活性及颗粒度 其制约关系有其制约关系有 压电陶瓷的制作工艺压电陶瓷的制作工艺上式中，上式中，t为为固相反固相反应应完全所
41、需完全所需时间时间；r为颗为颗粒直粒直径；径；D0为扩为扩散散频频率因子；率因子；Q为为激活能；激活能；T为为温度；温度；k为为常数。常数。这说这说明，固相反明，固相反应应速度与原料速度与原料扩扩散状况散状况(D0)、活性（活性（）、温度成正比，而与原料颗粒平均）、温度成正比，而与原料颗粒平均直径成反比。直径成反比。预烧预烧 合成温度合成温度(以上已说明以上已说明)。升温速率和保温时间。升温速率和保温时间。坯料压紧力。坯料压紧力。炉内温度均匀性、气氛等。炉内温度均匀性、气氛等。压电陶瓷的制作工艺压电陶瓷的制作工艺预烧预烧成型成型 压电陶瓷的制作工艺压电陶瓷的制作工艺 成型成型就是将瓷料压制成所
42、需要的形状规格的坯就是将瓷料压制成所需要的形状规格的坯体，并为烧结创造条件。体，并为烧结创造条件。坯体成型的方式和方法很多，如坯体成型的方式和方法很多，如压力成型法压力成型法、可塑成型法可塑成型法和和浆料成型法浆料成型法等，每大类成型法中又等，每大类成型法中又可分为若干具体成型方法。可以根据制品的形状、可分为若干具体成型方法。可以根据制品的形状、规格、大小来选择使用，但各有利弊。这里仅介规格、大小来选择使用，但各有利弊。这里仅介绍广泛采用的干压成型法。绍广泛采用的干压成型法。干压成型干压成型是将经过造粒的瓷料装入一定形状的钢是将经过造粒的瓷料装入一定形状的钢模内，借助于模塞，在一定外力下压制成
43、坯体。模内，借助于模塞，在一定外力下压制成坯体。压电陶瓷的制作工艺压电陶瓷的制作工艺成型成型干压成型原理干压成型原理 在外力作用下，瓷料颗粒在模具内在外力作用下，瓷料颗粒在模具内相互靠近，并借助内部作用力牢固地把各颗粒联系相互靠近，并借助内部作用力牢固地把各颗粒联系起来，成为保持一定形状的坯体。起来，成为保持一定形状的坯体。干压坯体的结构干压坯体的结构：可看成由液相（粘合剂）层、空：可看成由液相（粘合剂）层、空气、瓷料颗粒组成的三相结合体系。气、瓷料颗粒组成的三相结合体系。内部作用力及其物理机制内部作用力及其物理机制：颗粒接触镶嵌引起的颗粒接触镶嵌引起的啮合力；啮合力；粘合剂在颗粒间微孔中的无
44、细管压力；粘合剂在颗粒间微孔中的无细管压力；颗粒间、粘合剂和颗粒间的分子引力；颗粒间、粘合剂和颗粒间的分子引力；接触物接触物间电荷转移引起的静电吸引力。间电荷转移引起的静电吸引力。成型条件选择的一般原则成型条件选择的一般原则成型成型 压电陶瓷的制作工艺压电陶瓷的制作工艺(1)加压方式加压方式 干压成型一般分干压成型一般分单向加压单向加压和和双向加压双向加压两种方两种方式。较薄制品可采用单向加压方式；厚制品宜式。较薄制品可采用单向加压方式；厚制品宜采用双向加压，以使坯体内密度较均匀。采用双向加压，以使坯体内密度较均匀。压电陶瓷的制作工艺压电陶瓷的制作工艺成型成型(2)压力压力 对不同瓷料、不同形
45、状制品，压强由实验确对不同瓷料、不同形状制品，压强由实验确定。一般在定。一般在1-3T/cm3范围，以保证坯体密度均匀范围，以保证坯体密度均匀地达到地达到5.4-5.7g/cm3。(3)加压速度和保压时间加压速度和保压时间 对于较大体积坯体，加压必须缓慢，达到最对于较大体积坯体，加压必须缓慢，达到最大压力后，需保压一定时间，以利于排除坯体大压力后，需保压一定时间，以利于排除坯体中的空气，防止分层和裂纹。对薄小坯体，加中的空气，防止分层和裂纹。对薄小坯体，加压可较快，保压几秒钟即可。压可较快，保压几秒钟即可。压电陶瓷的制作工艺压电陶瓷的制作工艺成型（粘合剂的使用）成型（粘合剂的使用）(1)粘合剂
46、对成型作用粘合剂对成型作用 赋予赋予瓷料可塑性瓷料可塑性，便于成型，且坯体具有较高、，便于成型，且坯体具有较高、均匀致密度；均匀致密度；增加增加瓷料的粘结性瓷料的粘结性，使成型坯体具，使成型坯体具有一定的机械强度；有一定的机械强度；减少瓷料与模壁间的摩擦力，减少瓷料与模壁间的摩擦力，便于脱模，减小分层裂纹现象。便于脱模，减小分层裂纹现象。(2)压电陶瓷制品对粘合剂要求压电陶瓷制品对粘合剂要求 有足够有足够粘结性粘结性；挥发温度范围宽挥发温度范围宽，能缓慢分散，能缓慢分散挥发，快速集中挥发引起开裂；挥发，快速集中挥发引起开裂；挥发温度不能太低挥发温度不能太低，以免和水分同时挥发，造成坯体变形或开
47、裂，太高，以免和水分同时挥发，造成坯体变形或开裂，太高，引起铅挥发；引起铅挥发；无残留杂质无残留杂质影响制品的性能。影响制品的性能。压电陶瓷的制作工艺压电陶瓷的制作工艺(3)粘合剂的配制粘合剂的配制成型（粘合剂的使用）成型（粘合剂的使用）粘合剂品种很多，压电瓷料干压成型使用聚乙烯粘合剂品种很多，压电瓷料干压成型使用聚乙烯醇（醇（PVA）较多，无毒，能满足上述要求。）较多，无毒，能满足上述要求。以下介绍其典型配方、特点及制法。以下介绍其典型配方、特点及制法。5%浓度浓度PVA水溶液水溶液，配方简单，成本低，存放，配方简单，成本低，存放期短（期短（10天内）。天内）。PVA：甘油：酒精：蒸馏水：甘
48、油：酒精：蒸馏水=15：7：3：7（wt%）。粘度较大，存放期较长，不易变质，）。粘度较大，存放期较长，不易变质，但较低温度下过稠，不宜采用。但较低温度下过稠，不宜采用。配制配制：混合，：混合，90温度下搅拌溶化，过滤、温度下搅拌溶化，过滤、密封存放备用。密封存放备用。压电陶瓷的制作工艺压电陶瓷的制作工艺PVA的粘合作用的粘合作用成型（粘合剂的使用）成型（粘合剂的使用）成型（造粒）成型（造粒）压电陶瓷的制作工艺压电陶瓷的制作工艺 造粒造粒是将瓷料混合粘结剂后，制成流动性好的是将瓷料混合粘结剂后，制成流动性好的较粗颗粒（约较粗颗粒（约20目目/吋）。把这种颗粒称为团粒，吋）。把这种颗粒称为团粒，
49、以示区别。以示区别。(1)造粒的作用造粒的作用 因细磨后的瓷粉细且轻、比表面积大、占据体因细磨后的瓷粉细且轻、比表面积大、占据体积大，从而流动性差、装填密度和压实密度不高。积大，从而流动性差、装填密度和压实密度不高。所以造粒的作用就在于所以造粒的作用就在于均匀瓷粉中的粘合剂、增加均匀瓷粉中的粘合剂、增加其颗粒度、比重和流动性其颗粒度、比重和流动性，使成型坯体致密度提高。，使成型坯体致密度提高。(2)常用造粒方法及特点常用造粒方法及特点 压电陶瓷的制作工艺压电陶瓷的制作工艺成型（造粒）成型（造粒）普通手工造粒法普通手工造粒法 将瓷料加适量（如将瓷料加适量（如4-5wt%）的）的5%浓度浓度 PV
50、A水溶液粘合剂，在研钵内手工细混匀然后水溶液粘合剂，在研钵内手工细混匀然后过筛即可。过筛即可。该法该法操作简单，但劳动强度大，混合难以均操作简单，但劳动强度大，混合难以均匀，团粒质量不高匀，团粒质量不高，效率低，仅适合实验室和，效率低，仅适合实验室和小量生产。小量生产。加压造粒法加压造粒法 将瓷料加入将瓷料加入4-5wt%的的5%浓度浓度PVA水溶液水溶液粘合剂，粘合剂，在混料机中搅研均匀，在混料机中搅研均匀，过过20目目/吋筛吋筛。然后在液压机。然后在液压机上用压模以上用压模以180-250kg/cm2压力压力保压保压1分钟压成圆饼。分钟压成圆饼。用破碎机破碎圆饼，直至用破碎机破碎圆饼，直至