当前压电陶瓷体系存在两种类型，一种是发展较为成熟的铅基压电陶瓷，另一种是近年来饱受关注的无铅压电陶瓷，这两类压电陶瓷进行传统高温烧结时均存在一定的挑战。铅基压电陶瓷所含的铅元素在高温烧结时易挥发，给生态环境和人类社会可持续发展带来严重的危害。无铅压电陶瓷虽不含有毒的铅元素，但其组成成分中也往往含有一种或多种易挥发元素，这些元素在长时间的高温烧结制备过程中容易挥发，除了使材料的致密性降低，还会产生杂质相，导致性能降低。因此，无论是针对铅基压电陶瓷还是无铅压电陶瓷，防止元素的挥发都是其烧结过程中的关键挑战。

目前，压电陶瓷的烧结主要有2条路线：一是改良传统烧结技术，二是开发新型的低温烧结技术。

传统烧结技术的改良

传统烧结压电陶瓷的改良主要从配方优化和工艺优化两个方面入手，配方的优化主要通过添加烧结助剂协同离子掺杂来实现，工艺优化则可以通过采用惰性气氛烧结和两步烧结法来实现。

1、添加烧结助剂

该方法是利用烧结助剂低熔点的特性。在烧结前期，烧结助剂会在材料内会形成过渡液相，并润湿在晶粒表面，提升陶瓷粉体的溶解与迁移速率，从而能在较低烧结温度下形成致密的陶瓷体，在烧结后期，部分烧结助剂中的离子可能会被回吸入主晶格内，取代材料晶格的固有离子，以掺杂改性的方式改善陶瓷的性能。

烧结助剂促进烧结的机理

这种方法在大幅度降低烧结温度的同时，还有利于实现陶瓷的各项电学性能。此外，烧结助剂的价格低廉、操作简单，只需确定适宜的添加浓度，就可以稳定高效的投入生产实践。目前，可以实现掺杂取代和过渡液相协同作用的助烧结剂主要有：V₂O₅、Li₂CO₃、LiF、Li₂O、CuF₂、CuO、MnO₂、LiBiO₂。

2、惰性气氛烧结

惰性气氛烧结是通过向炉腔环境中充入Ar、He、N2等惰性气体的方式，实现对腔内气氛氧分压的调控。在烧结中，氧分压的变化根据坯体的成分不同发挥着不同的作用。压电陶瓷的成分多为氧化物，在惰性气氛烧结时，氧分压的降低可以促使陶瓷坯料内形成高浓度的氧空位缺陷，从而显著影响烧结传质阶段，有效地降低烧结温度。

3、两步烧结法

两步烧结法指对烧结过程温度进行调控优化，通过设置T1、T2两个不同的阶段温度，在实现晶粒生长的有效控制的前提下，于较低温度完成材料的致密化工作。两步烧结法中T1温度一般是传统烧结温度，主要为反应系统提供驱动力，在短时间内将陶瓷致密度提升到一定程度。随后，陶瓷被迅速冷却到较低的温度（T2，通常在T1以下50-100℃），从而降低晶界迁移的驱动力，在不显著晶粒生长的情况下达到最大密度，并尽量减少挥发性物质的挥发。

两步烧结法温度制度

新型低温烧结技术

对传统烧结工艺进行改良虽能在一定程度上抑制元素的挥发，但其能力仍有限。随着对烧结机理研究的不断深入，热压烧结、微波烧结、放电等离子烧结、冷烧结等能够有效抑制元素挥发的低温烧结技术被逐渐开发出来。

1、热压烧结

热压烧结是一种将二次球磨后的预烧粉料装填到模具中，并在对粉体进行加热的同时施加单轴方向的外压力，最终使得烧结和成型同时完成的制备方法，这种方法不再单一以温度作为传质驱动力，而是使用压力补充了传质驱动力，使得晶粒加速流动、重排，在实现致密化的同时可以降低一定的烧结温度。

热压烧结原理示意（来源：上海哈腾）

由于较高的压力还可以在一定程度上抑制晶体生长速度，因此热压烧结技术可以有效减小陶瓷晶粒的尺寸，降低陶瓷的孔隙率，提升压电陶瓷的力学性能和电学性能。但其烧结温度降低有限，不能很好地控制压电陶瓷陶瓷中的易挥发元素的挥发现象。

2、微波烧结

微波烧结技术是通过微波辐射耦合将其转化为热能的原理而进行加热的过程。在传统固相烧结中，由于材料表面首先被加热，所以材料表面和内部存在温度梯度，需要继续增加温度、延长烧结时间，使胚体心部达到致密化所需的温度。而微波烧结可激发粒子发生高速运动，使材料整体均匀加热至烧结温度而实现致密化，因此相比传统烧结，微波烧结的所需温度更低，烧结时间更短。此外，微波烧结还具有能源利用率高，安全卫生无污染等优点，契合了无铅陶瓷发展的环保理念。但目前来说，该技术设备条件要求过高，制备成本较高，使得其普及与应用大大受限。

传统烧结vs微波烧结

3、放电等离子烧结

该技术在热压烧结的基础上引入电场参与，利用上、下模冲及通电电极将特定烧结电源和压制压力施加于烧结粉末，经放电活化、热塑变形和冷却而实现超快速致密化烧结。期间，脉冲电流产生的等离子体和机械加压有效降低了粉末的烧结温度，具有升温速率快、烧结时间短、组织结构可控、节能环保等鲜明特点。

放电等离子烧结原理

由于放电等离子烧结的加热过程迅速，合成时间短，同时与热压烧结一样引入了压力补充了传质驱动力，故可明显抑制晶粒粗化并避免一些副反应发生，得到各项性能均很优异的压电陶瓷制品，但同样因其设备昂贵，在短期内，其工业大规模应用仍然受限。

4、闪烧技术

闪烧技术是一种基于电场和热场协同作用下的新型烧结技术，与放电等离子烧结相比，虽然两者均有电场的参与，但闪烧是将电场直接加载在样品素坯上，以此施加电场环境。当炉温升高至一定阈值时，在电场及热场的耦合下，通过样品的电流密度会瞬间增大，发生放光现象，使陶瓷素坯在几秒到几十秒的时间内迅速完成致密化。

闪烧技术原理

闪烧技术的烧结过程短暂迅速，能够有效的抑制挥发性成分挥发，同时也能实现多种材料的低温共烧，因此可以实现PZT、KNN等含有易挥发成分压电陶瓷材料与镍等贱金属电极的低温共烧。但极快的烧结速度，也使得温度及温度梯度的分布等参数难以准确检测和控制。

444℃闪烧所得KNN陶瓷的SEM照片

5、冷烧结

冷烧结是利用离子水、酸性溶液等瞬态液相润湿粉体，促进液相与固相之间的紧密接触，从而辅助颗粒溶解并传质，从而实现在较低温度和较高压强下完成致密化过程。该技术涉及的设备简单、操作也相对方便，并且能够在低于400℃的低温下实现高度致密化，避免了易挥发成分的挥发，同时有助于调节相应的压电性能。但是由于该技术发展时间不长，并牵涉到许多复杂的力学与化学过程，对其烧结机理仍然需要进行更多的研究和理解，确保材料得到适当的致密化。

冷烧结流程

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小结

压电陶瓷作为一种重要的功能陶瓷材料，在传感器、超声换能器、微位移器和其它电子元器件等方面得到了广泛的应用。但无论是发展成熟的铅基压电陶瓷还是近年来受到广泛关注的无铅压电陶瓷在烧结过程中都存在部分元素易挥发的问题，一般通过降低烧结温度来解决。虽然对传统烧结技术进行改良的方法，在操作上相对简单，成本也较低，但降低压电陶瓷烧结温度的能力有限。而诸如热压烧结、微波烧结、放电等离子烧结、闪烧技术、冷烧结等新型低温烧结技术能够大幅度降低压电陶瓷的烧结温度，但因技术较新，设备成本通常较高、工艺控制也较不成熟，还需进行更进一步研究。

参考文献：

1、安盖. 无铅压电陶瓷的反应闪烧研究[D].长安大学,2023.

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4、李雪伍,高瑞,黄艳斐等.铌酸钾钠无铅压电陶瓷掺杂及制备技术现状[J].中国表面工程,2023.

5、郑阳. PZT基压电陶瓷的低温烧结及其应用[D].电子科技大学,2018.

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