Mehrere Probleme bei der Herstellung von PZT -Piezoelektrik -Keramik

PZT Piezoelektrische Keramik haben die Eigenschaften einer hohen Curie -Temperatur, einer starken Piezoelektrizität, einer einfachen Dopingmodifikation und einer guten Stabilität. Seit den 1960er Jahren ist es ein Hotspot der Aufmerksamkeit und Forschung und dominiert das Gebiet der piezoelektrischen Keramik. In Bezug auf den Vorbereitungsprozess der PZT -Piezoelektrik -Keramik haben die PZT -Pulversynthese und die Verdichtung das Sintern am größten Einfluss auf die Qualität von PZT -Produkten. PZT -Ultrafeinpulver hat die Vorteile der feinen Partikelgröße, der großen spezifischen Oberfläche und der hohen Reaktivität, die die Sintertemperatur verringern, die Blei -Volatilisierung verringern, eine genaue Stöchiometrie gewährleisten und die Leistung von PZT -Produkten verbessern. Daher ist die Herstellung von ultrafeinen PZT -Pulver gewordenUnterwasserpiezo -Röhre. Der Schwerpunkt der elektrischen Keramikforschung. In den letzten Jahren wurden viele neue Methoden für die Untersuchung der ultrafeinen PZT -Pulvervorbereitung entwickelt. Zusätzlich zur herkömmlichen Phasenphasenmethode umfasst die Festphasenmethode die Mikrowellenstrahlungsmethode, das mechanische chemische Methodenport und die Reaktionssinternmethode. Die Flüssigphasenmethode hat die Vorteile von Temperatur mit niedriger Synthese, einfachen Geräten, einfachen Betrieb, niedrigen Kosten usw. und wurde für die Herstellung von PZT-Pulver wie Sol-Gel-Methode, hydrothermale Methode, Niederschlagsmethode \"verwendet. Es gibt jedoch immer noch viele Mängel bei der Herstellung und Leistung der PZT -Piezoelektrik -Keramik, einschließlich Pulveragglomeration, Stöchiometrie und einfacher Alterung von Produkteigenschaften. Einige Vorschläge für die Entwicklung der PZT -piezoelektrischen Keramik werden vorgestellt.

1 Pulveragglomeration

Die Pulveragglomeration umfasst im Allgemeinen weiche Agglomeration und harte Agglomeration. Die weiche Agglomeration wird durch die Verbesserung und Wechselwirkung von Van -der -Waals -Kraft, elektrostatischer Anziehung und Kapillarkraft zwischen Partikeln mit abnimmt. Eine harte Agglomeration ist auf die chemisch gebundene Bindung zwischen den Gruppen zurückzuführen. Die Wirkung bildet eine Überbrückungssauerstoffbindung, und die Brückensauerstoffkette zwischen den Partikeln interagiert zu Bildung. Das Agglomerationsproblem ist der wichtigste Faktor, der die hervorragende Leistung von ultrafeinen PZT -Pulver beeinflusst und auch die Qualität von PZT -Produkten stark beeinflusst. Dies liegt daran, dass PZT -Materialien funktionelle Materialien sind. Die grundlegenden Anforderungen an synthetische Pulver sind hohe Reinheit, ultrafeine, gleichmäßige Partikelgrößenverteilung, gute Dispersion, stöchiometrische Genauigkeit und einheitliche Dotierung. Zusätzlich. Das Auftreten der Agglomeration in der PZT -Piezo -Keramikros -Rohrsynthese wird zu einer Abnahme der Schüttdichte und einer ungleichmäßigen Morphologie führen und eine große Anzahl von Poren einführen zum zweiten Sinterprozess. Sekundäre Rekristallisation und reduziert dadurch die piezoelektrischen und thermoelektrischen Eigenschaften des PZT -Artikel. Daher ist die Reduzierung oder Vermeidung der Agglomeration in der Synthese von Ultrafein -PZT -Pulver eine Voraussetzung für die Herstellung von Hochleistungs -PZT -piezoelektrischen Keramiken. Die Agglomeration bei der Herstellung von PZT -Pulver umfasst zwei Formen der weichen und harten Agglomeration. Der Agglomerationsmechanismus unterscheidet sich auch für verschiedene Pulvervorbereitungsmethoden. Die traditionelle feste Phasenmethode zur Synthese von PZT -Pulver ist durch wiederholtes Kugelmahlen und hohe Kalzinierungstemperatur gekennzeichnet. Wiederholtes Ballmahlen führt nicht nur Verunreinigungen ein, sondern auch zu einer Übergrenzung führt zur Bildung der Agglomeration. Insbesondere die entwickelte mechanochemische Methode verwendet hauptsächlich mechanische Energie vervollständigt die PZT -Phasensynthese, und die Kugelzeit ist so lang wie der Himmel. Es ist einfacher, Verunreinigungen einzuführen und Pulveragglomeration zu verursachen. Übermäßige Kalzinierungstemperatur kann auch Pulveragglomeration verursachen. Die Flüssigphasenmethode wird verwendet, um PZT -Pulver zu synthetisieren. Da in der flüssigen Phase feste Phasenpartikel gebildet werden, werden im Allgemeinen Keimbildung, Wachstum, Koaleszenz und Agglomeration durchgeführt. Daher kann die agglomerierte Struktur gebildet werden, wenn sie in der flüssigen Phase ein festes Phasenpartikel ist. Aufgrund der Brownschen Bewegung liegen die Partikel nahe beieinander. Wenn die kinetische Energie zwischen den Partikeln größer ist als die Barriere, die das Agglomerat zwischen den zarten Partikeln unter der Wirkung der Bewegung bildet, vereinen sie sich gegenseitig. Zweitens werden im Prozess der Feststoff-Flüssigkeits-Trennung unter der Eliminierung des letzten Teils der flüssigen Phase die festen Phasenpartikel aufgrund der Oberflächenspannung nahe beieinander gebracht. Insbesondere die Synthese von PZT -Pulver mit Wasser als Lösungsmittel. Die Spuren von Wasser, die schließlich zwischen den Partikeln verbleiben, binden die Partikel und Partikel durch Wasserstoff fest zusammen. Darüber hinaus ist der vorbereitete PZT -Pulvervorläufer im Allgemeinen bei 500 bis 700 ° kalkiniertC, die auch Pulveragglomeration verursachen und auch dazu führen können, dass die gebildeten Agglomerate die Bildung agglomerierter Strukturen aufgrund des lokalen Sinterns verschlimmern. Es ist zu sehen, dass pZT -Pulver wird durch Coprecipitation -Methode hergestellt. Jedes Stadium der Coprezipitation, des Kornwachstums bis zum Spülen, der Trocknung und der Kalzinierung des Niederschlags kann zu Partikelwachstum und Bildung von Agglomeraten führen. Nach der Bildung der Agglomeration kann das Verringerung oder Vermeiden von Partikelwachstum und Agglomeration bei der Herstellung von ultrafeinen PZT -Pulver aus den folgenden Aspekten berücksichtigt werden: Eine ist die Trennung des Keimbildungs- und Wachstumsprozesses, die Keimbildung, das Kontrollwachstum; Stellen Sie eine große Keimbildungsrate von zehn Wachstumsraten sicher, dh sicherzustellen, dass der PZT -Pulvervorläufer unter einem hohen Grad an Superkühlung oder hoher Übersättigung erzeugt wird. Die zweite ist die Verhinderung der PZT -Pulveragglomeration. Dies beinhaltet, wie die Bildung der Agglomeration während der Pulvervorbereitung hemmt und wie die Agglomeration nach Agglomeration eliminiert werden kann. Die Methode zur Hemmung der Agglomeration während der Pulverpräparation umfasst: (1) Auswahl angemessener Reaktionsbedingungen (z. B. pH -Wert, Reaktionskonzentration und Temperatur); (2) Sonderbehandlung während der Pulversynthese oder -trocknung; Das Einbeziehen von Pulversyntheseprozess -Tensid wird zugegeben und mit einem organischen Lösungsmittel filtriert, und die Oberflächenspannung des Tensids ist niedrig. Daher kann ein Pulvervorläufer mit einem leichteren Agglomerationsgrad erhalten werden; Im Trocknungsprozess wird ein spezieller Trocknungsprozess übernommen, hauptsächlich ein gefriertes Trocknen, überkritisches Trocknen und weites Infrarottrocknen usw. Das Grundprinzip besteht darin, die Gas-Flüssigkeit mit einer großen Oberflächenspannung zu beseitigen. Die Grenzfläche oder die Partikel sind fixiert und können nicht nahe beieinander liegen. Beispielsweise soll die Lyophilisierung eine niedrige Temperatur und einen Unterdruck verwenden, um das Rohflüssigkeitsmedium unter einem Unterdruck auf eine feste Phase zu erheben, da die festen Phasenpartikel im Rohflüssigkeitsmedium eingefroren sind. Und es gibt keine Gas-Flüssig-Grenzfläche mit einer großen Oberflächenspannung in der Kapillare zwischen den Partikeln, wodurch das Problem der durch die flüssigen Brücke verursachten schweren Agglomeration vermieden wird.

(3) Wählen Sie die besten Kalzinbedingungen oder verwenden Sie spezielle Prozesse, z. wurde erhalten. Methoden zur Beseitigung der Agglomeration nach Bildung von Agglomeraten sind Ablagerung oder Sedimentation, Schleif- und Ultraschallbehandlung, Zugabe eines Dispergierers und dergleichen. Zum Beispiel Wang Xicheng \"Verwendet Metallalkoxid und Nitrat als Rohstoffe, kontrolliert die Erzeugung, das Waschen und die Auswahlbedingungen der Dispersion streng die Coprezipitation, übernimmt ein Gefrierdrocknungstechnologie und unterzieht sich dann an einem angemessenen Kalzinierungsprozess, um eine einheitliche Zusammensetzung ohne harte Agglomeration zu bilden. Körper, einzelne Perovskitphase, hohe Sinteraktivität von Mikropubermindder mit Mikrometergröße (52/48)Die CIP -Technologie (Cold Isostatic Pressing) werden gebildet, die Sintern der Verdichtung kann bei 800 ° erreicht werdenC, und seine relative Dichte wird erreicht.

Der Einfluss der stöchiometrischen Stöchiometrie auf die Qualität von PZT -Produkten umfasst hauptsächlich Z -Aspekte: Erstens führt die Blei -Verflüsse während des Sinterprozesses von PZT -Piezoelektrik -Keramik dazu, dass die Komponenten von der genauen Stöchiometrie abweichen und die Leistung der Produkte reduziert wird. Andererseits die ZR/ in den Komponenten. Die Schwankung von TI beeinflusst die Stabilität der PZT -Produktleistung. Die Bleivolatilisation wird im Allgemeinen auf die hohe Sintertemperatur der PZT -Piezoelektrik -Keramik zurückzuführen. Bleioxid hat einen relativ hohen gesättigten Dampfdruck in der Umgebung mit hoher Temperatur, was zu einer Blei -Verflüsse führt. Je höher der gesättigte Dampfdruck ist, desto leichter wird die Blei verflucht und ZR mit zunehmender /ti -Erhöhung der Sintertemperatur von PZT -Piezoelektrik -Keramik steigt und der gesättigte Dampfdruck von Bleioxid steigt allmählich an. Der Bleiverlust wird schwerwiegender, so dass eine hohe Zr/Ti -PZT -Piezoelektrik -Keramik schwieriger zu Sintern ist, und zu niedriger Sauerstoff -Teildruck während des Sinterns wird zu einer Bleivolatilisierung führen. Das durch das herkömmliche festen Phasenmethode hergestellte PZT -Material hat aufgrund der geringen Aktivität des synthetischen Pulvers eine Sintertemperatur von allgemein 1.200. Es ist einfach, eine große Menge an Bleivolatilisation zu verursachen, die Produktleistung ist nicht hoch, sodass die feste Phasenmethode der PZT -Produkte schwierig ist, die hohen Leistungsanforderungen des Anwendungsgebiets zu erfüllen. Derzeit sind die Hauptmaßnahmen von Materialforschern im In- und Ausland für die Bleivolatilisierung wie folgt: Erstens werden der Pulversynthese übermäßiges Blei hinzugefügt. Überschüssiges Blei wird hinzugefügt. In der Anfangsphase des Sinterns aufgrund der Bildung der flüssigen Phase der Kontaktbereich vonDie Reaktanten können erhöht werden, die Diffusionsrate von Zirkonium, Titan und Dotierstoffen kann beschleunigt werden, und die Gleichmäßigkeit des Produkts kann verbessert werden. Die gebildete flüssige Phase kann auch die Diffusionsbewegung von Auflösung und Ausfällung beschleunigen, die für die Umlagerung und die enge Packung der Partikel förderlich sind und die Verdichtung des Produkts beschleunigen. Wenn jedoch die Menge an hinzugefügter Blei zu stark ist, wird der übermäßige Blei einerseits auf dem Kristall abgelehnt, wodurch die Leistung des Produkts verringert wird. Andererseits wird es leicht dazu führen, dass die lokale Titankonzentration in der PZT -Komponente zu hoch ist, und die Löslichkeit im Bleioxid der flüssigen Phase ist ein großes, trockenes Zroz. Löslichkeit, was zu einem hohen lokalen Titangehalt der Titan führtPZT -Produkt nach dem Sintern, insbesondere an der Korngrenze. Dadurch beeinflusst die Gleichmäßigkeit der Mikrostruktur des Produkts und Reduzierung der Leistung des Produkts. Die Zugabe von überschüssigem Blei beeinflusst die mechanischen Eigenschaften von PZT -piezoelektrischen Keramikkomponenten: Wenn das Produkt in der Blei übermäßig übermäßig ist, ist ein Bruchmodus eine transgranuläre Fraktur. Zweitens werden im Sinterprozess des Produkts gemäß dem Volatilisationsmechanismus des Bleimechanismus ein vernünftiges Sintersystem und besondere Maßnahmen ergriffen. Es wird häufig verwendet, um Sinter ein Sinteratmosphäre und eine Doppelschicht-Wismut-Technik zu verleihen und die Sinteratmosphäre als oxidierende Atmosphäre zu kontrollieren. Dies verringert die Verflüchtigung der Blei und verhindert die schwärzende Produkte. Unter einer reduzierenden Atmosphäre kann Ti leicht auf T1 ̈ reduziert werdendas Produkt verdunkeln.

Das dritte besteht darin, eine angemessene Menge an Dotierstoffen hinzuzufügen. Dotierung reduziert die Bleivolatilisierung und verbessert andererseits die PZT -Produktleistung. Das vierte besteht darin, die Synthese von PZT-Pulver mit hohem Aktivität weiter zu untersuchen, damit die PZT-Piezoelektrik-Keramik mit einer Temperatur unter der von Blei verdichteten und gesintert werden kann. Darüber hinaus bleibt der Mechanismus der Verflüchtigung von Blei weiter untersucht. Die Volatilisationstemperatur von Bleioxid in der hydrothermalen Synthese von PZT -Pulver beträgt 924,71. c und die Reaktionstemperatur zwischen den Partikeln ̈ ̈. Die Reaktionstemperatur zwischen der festen Phasensynthese pZT -Pulverpartikel bei 26 °C war 47. c. Die Oxidationstemperatur von Bleioxid beträgt 29°C; die niedrigste eutektische Temperatur des pZT -System ist 838. c. Es ist ersichtlich, dass angemessene Prozessmaßnahmen gemäß dem Verflüchtigenungsmechanismus des Bleimechanismus und der Vorbereitungsmethode von PZT -Pulver ergriffen werden müssen, um die Bleivolatilisation zu verringern und die Leistung von PZT -Produkten zu verbessern.

5 Doping

Studien haben gezeigt, dass die PZT -Produktleistung eng miteinander verbunden ist. Derzeit konzentriert sich ZR/TI für die Untersuchung von PZT -Materialien hauptsächlich im Bereich von 53/47 und 95/5. Wenn Sie sich jedoch ausschließlich auf verschiedene ZR/T- zur Verbesserung der Leistung von PZT-Produkten verlassen, kann dies jedoch nicht die Anforderungen von PZT-Produkten in verschiedenen Bereichen erfüllen. Es ist auch erforderlich, die Produkte zu verbessern, indem eine angemessene Anzahl von Dotierstoffen auf der Grundlage von ZR/TL ausgewählt wird. während die Auswirkung von Schwankungen in ZR/TI auf die Leistungsstabilität von PZT -Artikeln verringert. Der Additiv kann im Hauptkristallgitter gegenseitig löslich sein und in der Korngrenze in Form der zweiten Phase ausgefällt werden. Wenn er gegenseitig löslich ist, kann die Leistung oder Struktur der Hauptkristallphase entsprechend der Menge von geändert werden Zusatz; Wenn es nicht gegenseitig löslich ist. Als zweite Phase wird die Korngrenze beeinflusst, die die Bindungskraft oder die Korngrenze zwischen den Kristallkörnern beeinflusst. Die Haupteffekte der Dotierung umfassen die Bildung von Leerstellen, die Hemmung des Kornwachstums, die Bildung der flüssigen Phase der Rinderflüssigkeit und die Ausdehnung des Sintertemperaturbereichs. Gleichzeitig kann gemäß der Rolle des Dotiers in der PZT -Piezoelektrik -Keramik in drei Arten unterteilt werden: Spender -Doping, Akzeptor -Doping und variabler ionischer Verbindungsdoping. In der Doping-Modifikationsstudie der PZT-piezoelektrischen Keramik wurden LA, Mn2- und NB in ​​großen Mengen untersucht. Der Effekt von dotierten NBZOs auf das durch feste Phasenmethode hergestellte PZT65/35 -Material wurde untersucht. Es wurde festgestellt, dass die Zugabe von Niob die Verdichtung und Sintern signifikant förderte und das Wachstum von Niob mit zunehmendem Niob -Gehalt aufgrund von NB0 inhibierte. Die Stärkung der oktaedrischen elektrostatischen Wirkung führt dazu, dass der Stamm der Rhomboideinheitszelle von PZT angespannt ist. Die Einheitszelle ist in der Regel auf der Oberfläche gedehnt, was das Produkt leicht zu polarisieren macht und auch zur Verbesserung seiner Anti-Aging-Eigenschaft beiträgt. Die \"Löslichkeitsgrenze im PZT -Material beträgt 7 Mol%. Wenn die Menge weniger als 7 ist. Das Aluminium und das Perovskit -Kristallgitter sind vollständig gegenseitig löslich. Zu diesem Zeitpunkt befindet sich das Produkt vollständig in der Perovskitphase. Es zeigt Spenderverunreinigungsmerkmale; Wenn in einer Menge von mehr als 7 Mol hinzugefügt wird, reagiert überschüssiges Ruthenium mit Blei oder Titan, was zur Produktion einer zweiten Phase führt, z. B. eine Fluoritphase, wodurch die dielektrischen und piezoelektrischen Eigenschaften des Artikels reduziert werden. Die Wirkung auf die Mikrostruktur und die piezoelektrischen Eigenschaften von PZT -Materialien und der Valenzzustand von Mangan in PZT -Materialien wurde durch ESR bestimmt. Die Ergebnisse zeigen, dass die Löslichkeit von Mangan in PZ-Butylmaterialien hauptsächlich in Form von Mn und Mn5+liegt. 1,5nlol \", wenn Manganinhalt 15 Mol beträgt, sammelt sich der überschüssige Mn an der Korngrenze an und verringert die piezoelektrische Aktivität des Produkts. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass für verschiedene Arten von Dotierstoffen der Forschungsschwerpunkt auf der vollständigen Auflösung der PZT -Hauptkristallphase durch die Anstrengung einer geeigneten Additionsmenge, der Verbesserung der Eigenschaften des Produkts, der Vermeidung übermäßiges Dotieren und der Zerlegung der Getreidegrenze oder der Bildung der zweiten Phase sich vollständig auflöst. Reduzierung der Leistung des Produkts. Darüber hinaus konzentriert sich die aktuelle Doping -Modifikationsforschung, das Doping -Objekt, hauptsächlich auf das Festphasenmethode zur Herstellung von PZT -Material und wird mit einer Oxid -Festphase dotiert. Daher ist es schwierig, die Gleichmäßigkeit von Komponenten und genaue Stöchiometrie zu gewährleisten. Wie man homogenes Dotieren erreicht, wird eine der zukünftigen Forschungsrichtungen der PZT -piezoelektrischen Keramik sein.

4. Alterung

Altern bezieht sich auf das Merkmal, dass sich die elektrischen Leistungsparameter von PZT -Artikeln mit der Zeit ändern. Wir wissen, dass PZT -piezoelektrische Keramik zu Abo gehören. Die Perovskitstruktur umfasst drei Kristallphasen von kubischem, tetragonalem und rhomboedrisch. Gemäß ZR/T1 können verschiedene Kristallphasen erzeugt werden, und das aktivierte Kation ist Typ -A -Ion. Unterhalb der Curie-Temperatur treten die Ionen vom Typ A-Typ oder B in eine bestimmte Position ein und erzeugen spontane Polarisations- und Bildungsdomänen, aber der Winkel zwischen benachbarten Domänen kann nur 90 oder 180 betragen. Dies ist entweder auf die spontane Polarisation des ferroelektrischen Die Domänenstruktur ermöglicht die Ausrichtung der Achse der ferroelektrischen Polarisationsachse in der Prototypstruktur des ferroelektrischen Körpers. Gleichzeitig wird die ferroelektrische Domänenstruktur auch durch den spontanen Dehnungsstamm des Kristalls eingeschränkt. Die Phase muss sicherstellen, dass die spontane Dehnung, die von den benachbarten Domänen in den Domänenwänden erzeugt wird starker Gleichstrom. Unter der Wirkung des Feldes ist die spontane Polarisation jeder Domäne gezwungen, ausgerichtet zu werden, wodurch die Restpolarisation erzeugt wird, dh einen piezoelektrischen Effekt aufweist. Das polarisierte PZTPiezoelektrische Keramikscheibeist gezwungen, die Intra-Zell-Störung aufgrund des elektrischen Polarisationsfeldes zu verfolgen. Die Anordnung von 90 Slack und 180. Domänenlenkung, geordnete Anordnung und die spontane Polarisationsachse in der Einheitszelle ist etwas länger als die nicht-spontane Polarisationsachse, und die Dehnungsbrunnen erzeugt beim Drehen eine große interne Spannung. Nach dem Entfernen des externen elektrischen Feldes verursacht diese interne Spannung das interne Ungleichgewicht der Einheitszelle. und speichern mehr interne Energie, was zu den 90 führt, die gedreht wurden. Die neue Domäne wird vor der Polarisation in die ungeordnete Anordnung wiederhergestellt, um die interne Spannung allmählich freizusetzen. Daher hängt die Restpolarisation mit diesen zusammen. Die Störung und allmählich abnehmende, dielektrische und piezoelektrische Parameter ändern sich entsprechend. Es ist ersichtlich, dass die Störung neuer Domänen die Wurzel des Alterungsmechanismus ist. Die Alterungsgesetze umfassen im Allgemeinen lineare, nichtlineare und allmähliche. Es gibt drei Arten von nahezu linear. Zu den Faktoren, die die Alterung von PZT -Produkten beeinflussen, gehören externe und interne Faktoren. Externe Faktoren beziehen sich auf die Verwendungsumgebung. Interne Faktoren wie Temperatur und Luftfeuchtigkeit hängen eng mit der Domänenstruktur und der Domänenbewegung zusammen, was auf ein hohes elektrisches Feld zurückzuführen ist. Der Polarisationsinversionsprozess wird durch die Bewegung von Domänenwänden und die Erzeugung und Bewegung neuer Domänenwände abgeschlossen. Die Domänenstruktur hängt eng mit der Mikrostruktur nach Sintern wie Korngröße, Korngrenze usw. zusammen. Wenn die Korngröße klein ist. Wenn die Größe der Domänenwand ähnlich ist, die Entwicklung der ferroelektrischen Domänenstruktur und die Bewegung der Die Domänenwand wird behindert. Insbesondere mit zunehmender Korngröße nimmt die Korngrandvolumenfraktion ab und die Kopplung zwischen der Korngrenze und der Domänenwand nimmt ab. Domäne Die Orientierung ist schwieriger und die Domänenwandbewegung wird stark unterdrückt, sodass die Restpolarisation und die konstante Dielektrizitätssteigerung mit zunehmender Korngröße und die Zwangsfeldstärke abnimmt. Die Dicke und Eigenschaften der Korngrenze wirken sich auch auf die Domänenstruktur aus. Die Korngrenze ist günstig für die Entwicklung der Domäne über die Korngrenze und verbessert die Piezoelektrizität des Produkts.