壓電陶瓷換能器的可行性初步研究(編輯修改稿)
2025-07-20 16:27 本頁(yè)面
【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 曲線可知：①630℃的吸熱效應(yīng)是因Pb3O4分解為PbO引起，并開(kāi)始形成PbTiO3，到650℃形成PbTiO3的反應(yīng)最為顯著。②790℃是PbO—ZrO2—PbZrO3三元共融液形成溫度，但因?yàn)檫@時(shí)大量存在的PT 馬上與PZ生成PZT固溶體，所以這也是PZT開(kāi)始形成的溫度，該反應(yīng)到850℃基本完成。圖15表示保溫2小時(shí)，PZT合成過(guò)程中各相隨溫度變化的情況?？梢杂蓤D把反應(yīng)按溫度范圍分成三段，即：反應(yīng)A：350—680℃反應(yīng)B：625—800℃反應(yīng)C：800℃以上(3)預(yù)燒工藝1)裝缽將混合干燥后的粉料裝入缽內(nèi)，并壓緊、扎孔、加蓋、入爐。500℃前爐門微開(kāi)，以利排除有機(jī)物和水分等，之后關(guān)爐門。2)加熱條件(以典型PZT為例)升溫速率：視爐內(nèi)裝料多少而定。最高溫度：850℃左右(視配方而變化)保溫時(shí)間：650℃左右保溫12小時(shí)，以生成PT。 850℃左右保溫2小時(shí)，以生成PZT。降溫速率：關(guān)電隨爐冷卻，至200℃以下出爐。爐內(nèi)氣氛：以中性或氧化氣氛為好；還原氣氛會(huì)導(dǎo)致料粉還原發(fā)黑，必須嚴(yán)加控制。硅碳棒爐好于電阻絲爐。(4)預(yù)燒瓷料質(zhì)量要求外觀：顏色正常、均勻一致；有一定膨脹或收縮(視具體配方)；硬度適中。化學(xué)分析：游離鋯、鈦、鉛少，%相分析：為鈣鈦礦相，無(wú)雜相。(5) 影響預(yù)燒的因素①原料活性及顆粒度其制約關(guān)系有式中，t為固相反應(yīng)完全所需時(shí)間；r為顆粒直徑；D0為擴(kuò)散頻率因子；Q為激活能；T為溫度；k為常數(shù)。這說(shuō)明，固相反應(yīng)的速度與原料擴(kuò)散狀況(D0)、活性()、溫度成正比，而與原料顆粒平均直徑成反比。②合成溫度(以上已說(shuō)明)。③升溫速率和保溫時(shí)間。④坯料壓緊力。⑤爐內(nèi)溫度均勻性、氣氛等。 成型與排塑成型就是將瓷料壓制成所需要的形狀規(guī)格的坯體，并為燒結(jié)創(chuàng)造條件。排塑就是在一定溫度下，將成型過(guò)程中加入瓷料中的粘合劑（或塑化劑）排除，并使坯體具有一定的機(jī)械強(qiáng)度。坯體成型的方式和方法很多，如壓力成型法、可塑成型法和漿料成型法等，每大類成型法中又可分為若干具體成型方法?？梢愿鶕?jù)制品的形狀、規(guī)格、大小來(lái)選擇使用，但各有利弊。這里僅介紹廣泛采用的干壓成型法。干壓成型是將經(jīng)過(guò)造粒的瓷料裝入一定形狀的鋼模內(nèi)，借助于模塞，在一定外力下壓制成坯體。（1） 干壓成型原理在外力作用下，瓷料顆粒在模具內(nèi)相互靠近，并借助內(nèi)部作用力牢固地把各顆粒聯(lián)系起來(lái)，成為保持一定形狀的坯體。干壓坯體的結(jié)構(gòu)：可看成由液相（粘合劑）層、空氣、瓷料顆粒組成的三相結(jié)合體系。內(nèi)部作用力及其物理機(jī)制：①顆粒接觸鑲嵌引起的嚙合力；②粘合劑在顆粒間微孔中的無(wú)細(xì)管壓力；③顆粒間、粘合劑和顆粒間的分子引力；④接觸物間電荷轉(zhuǎn)移引起的靜電吸引力。（2） 成型條件選擇的一般原則1) 加壓方式干壓成型一般分單向加壓和雙向加壓兩種方式。較薄制品可采用單向加壓方式；厚制品宜采用雙向加壓，以使坯體內(nèi)密度較均勻。2) 壓力對(duì)不同瓷料、不同形狀制品，壓強(qiáng)由實(shí)驗(yàn)確定。一般在13T/cm3范圍。3) 加壓速度和保壓時(shí)間對(duì)于較大體積坯體，加壓必須緩慢，達(dá)到最大壓力后，需保壓一定時(shí)間，以利于排除坯體中的空氣，防止分層和裂紋。對(duì)薄小坯體，加壓可較快，保壓幾秒鐘即可。（3） 粘合劑的使用1）粘合劑對(duì)成型的作用① 賦予瓷料以可塑性，便于成型，且坯體具有較高的、均勻的致密度；② 增加瓷料的粘結(jié)性，使成型坯體具有一定的機(jī)械強(qiáng)度；③ 減少瓷料與模壁間的摩擦力，便于脫模，減小分層裂紋現(xiàn)象。2）壓電陶瓷制品對(duì)粘合劑的要求①有足夠的粘結(jié)性；②揮發(fā)溫度范圍寬，能緩慢分散地分解揮發(fā)，避免快速集中揮發(fā)引起坯體開(kāi)裂；③揮發(fā)溫度不能太低，以免和水分同時(shí)揮發(fā)，造成坯體變形或開(kāi)裂，但也不能太高，引起鉛等揮發(fā)；④加熱揮發(fā)后，無(wú)殘留雜質(zhì)，以免影響制品的性能。3）粘合劑的配制粘合劑的品種很多，壓電瓷料干壓成型使用聚乙烯醇（PVA）的比較多，無(wú)毒，且基本能滿足上述要求。以下介紹其典型配方、特點(diǎn)及制法。①5%濃度的PVA水溶液，配方簡(jiǎn)單，成本低，但存放期短（10天以內(nèi)）。②PVA：甘油：酒精：蒸餾水=15：7：3：75（wt%）。粘度較大，存放期較長(zhǎng)，不易變質(zhì)，但較低溫度下過(guò)稠，不宜采用。配制：混合，90℃溫度下攪拌溶化，過(guò)濾、密封存放備用。（4） 造粒造粒是將瓷料混合粘結(jié)劑后，制成流動(dòng)性好的較粗顆粒（約20目/吋）。把這種顆粒稱為團(tuán)粒，以示區(qū)別。1) 造粒的作用因細(xì)磨后的瓷粉細(xì)且輕、比表面積大、占據(jù)體積大，從而流動(dòng)性差、裝填密度和壓實(shí)密度不高。所以造粒的作用就在于均勻瓷粉中的粘合劑、增加其顆粒度、比重和流動(dòng)性，使成型坯體致密度提高。2) 常用造粒方法及特點(diǎn)①普通手工造粒法將瓷料加適量（如45wt%）的5%濃度PVA水溶液粘合劑，在研缽內(nèi)手工細(xì)混均勻，然后過(guò)篩即可。該法操作簡(jiǎn)單，但勞動(dòng)強(qiáng)度大，混合難以均勻，團(tuán)粒質(zhì)量不高，效率低，僅適合實(shí)驗(yàn)室和小量生產(chǎn)。②加壓造粒法將瓷料加入45wt%的5%濃度PVA水溶液粘合劑，在混料機(jī)中攪研均勻，過(guò)20目/吋篩。然后在液壓機(jī)上用壓模以180250kg/cm2壓力保壓1分鐘壓成圓餅。用破碎機(jī)破碎圓餅，直至全部通過(guò)20目/吋篩即可備用。該法團(tuán)粒密度大，坯體機(jī)械強(qiáng)度高，能滿足各種大型和異型制品成型要求。但產(chǎn)量較小，效率不高，工藝操作要求嚴(yán)格，適合于實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)和中批量生產(chǎn)。③噴霧干燥造粒法將混合粘合劑的瓷料先做成料漿，再經(jīng)噴霧干燥機(jī)進(jìn)行霧化干燥造粒，并收集備用。團(tuán)粒粗細(xì)可由霧化相關(guān)條件控制。該法顆粒為球狀、流動(dòng)性好、質(zhì)量好、且產(chǎn)量大、連續(xù)生產(chǎn)、效率高，勞動(dòng)強(qiáng)度小和條件得到改善。宜于大批量生產(chǎn)，但設(shè)備成本高。（5） 模具設(shè)計(jì)模具的設(shè)計(jì)以制品的形狀、尺寸、壓力、粉料壓縮化、燒結(jié)收縮率、粗糙度等為依據(jù)，設(shè)計(jì)模具：①配合精度（如三級(jí)精度配合）；②光潔度（如工作面▽10）；③硬度（如HRC 5762）；④脫模錐度（一般不小于1%）；⑤形狀、尺寸；⑥用材（工具鋼，如Cr12鋼）等。（6） 影
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