PZT压电陶瓷粉体的制备与改性技术
2020年05月07日 发布
分类:粉体加工技术 点击量:5150
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20世纪40年代中期,BaTiO3压电陶瓷横空出世,结束了压电材料领域里压电晶体“独霸天下”的局面。自此之后,逆袭的压电陶瓷发展迅猛,相继出现PbTiO3、Pb(Zr,Ti)O3(PZT)等高性价比的陶瓷材料。其中,PZT是目前应用最广泛的压电陶瓷材料。 压电陶瓷中,BaTiO3的压电系数较高(d33=191pC/N),但居里温度只有120℃,也就是说,它只有在低于120℃的条件下才能发挥出压电效应,“用武之地”受到限制;虽然PbTiO3的居里温度高达490℃,但本身“资质”却很平庸,压电系数(d33=56pC/N)和烧结性能都比较差。而兼具“变身”和“改性”手段的PZT压电陶瓷,不仅拥有较高的居里温度,还具有优异的压电性能,被广泛应用于超声换能器、压电变压器、滤波器等领域。 压电陶瓷环 1 PZT压电陶瓷粉体的制备技术 PZT压电陶瓷是PbTiO3和PbZrO3组成的无限固溶体,原料是多组分的粉体;然而,化工原料大多是单组分的化合物,因此,在压电陶瓷成型、烧结前,需预先通过粉体制备技术使单组分的化工原料“变身”成为多组分的PZT粉体原料。另外,在“变身”过程中,通过调配Zr和Ti的比例可以实现居里温度在230℃-490℃范围内有效可控。PZT压电陶瓷粉体的制备技术汇总如下。 PZT压电陶瓷粉体的制备技术
备注:固相合成法是将金属盐或金属氧化物混合、研磨,再通过煅烧发生固相反应,而后再研磨得到粉体的方法。 机械化学法是将混合均匀的反应物置于高速摇摆磨或行星球磨机中,以机械能代替热能激活反应物发生固相反应,进而得到粉体的方法。 水热法是指在高温高压密闭容器中,采用水作为介质,使得通常难溶或不溶的物质溶解并重结晶而得到粉体的一种有效方法。 溶胶-凝胶法以无机物或金属醇盐为前驱体,通过水解、缩合反应制得溶胶,再经过陈化等方法形成凝胶;凝胶经过干燥、煅烧后可得到粉体。 熔盐法将熔盐与反应物按比例混合、熔融,反应物在盐的熔体中反应得到相应产物,产物清洗后可得到高纯粉体。 化学共沉淀法是在金属盐溶液中加入沉淀剂,控制条件使沉淀剂与金属离子反应生成沉淀物,再将此沉淀物煅烧成粉的一种方法。 2 PZT压电陶瓷粉体的改性技术 PZT压电陶瓷中PbO的含量通常在50%以上,属于非环保型材料。即便如此,PZT压电陶瓷仍然在压电材料领域占据不可动摇的“一哥”地位,而这完全是因为PZT拥有“兼容并包”的博大情怀。 PZT陶瓷粉体可以通过兼容其它的添加物元素实现“改性”。根据添加物所起的改性效果,大致可分为软性添加物和硬性添加物两大类。软性添加物包括La3+、Nb5+、Bi3+、Sb5+、W6+、Ta5+及其它稀土元素等,通过形成Pb2+离子空位使介电常数、介电损耗、弹性柔顺系数增大,机械品质因数、矫顽场强降低;硬性添加物包括Mg2+、Sc3+、Fe3+、Al3+等,通过形成氧缺位使介电常数、介电损耗、弹性柔顺系数减小,机械品质因数、矫顽场强升高。 当前,压电领域对材料的性能要求越来越高,以PZT为基础的三元系“改性”压电陶瓷材料已经得到广泛的研究和应用。 PZT基“改性”三元体系
资料来源: 包秀兰等.《锆钛酸铅压电陶瓷的制备工艺研究》. 吴秋晨等.《熔盐法制备大功率PMS-PZT压电陶瓷及强场性能研究》. 梁晓夏等.《水热法制备陶瓷粉体的研究现状及进展》. 胡艳华等.《Pb(Zr0.95Ti0.05)O3纳米粉的合成及其钙钛矿结构的稳定性》. 韩春晓等.《湿法合成PZT粉体的研究》. 刘军等.《水热法合成PZT粉体的研究》. 温建强等.《压电材料的研究新进展》. 粉体圈 作者 王京
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