中國粉體網(wǎng)訊 前不久，一家電爐裝備廠商遇到了一個(gè)技術(shù)難題，他們?cè)趯?duì)鋯鈦酸鉛（PZT）壓電陶瓷進(jìn)行燒結(jié)時(shí)，遇到鉛揮發(fā)的問題不知應(yīng)如何解決。為此，中國粉體網(wǎng)小編查閱了相關(guān)文獻(xiàn)，發(fā)現(xiàn)在一些實(shí)驗(yàn)當(dāng)中，有采用以下的方法：
實(shí)驗(yàn)一：由于燒結(jié)中會(huì)發(fā)生PbO的揮發(fā)，要在陶瓷片上加一個(gè)坩堝，減少鉛離子的揮發(fā)。
實(shí)驗(yàn)二：采用無壓空氣燒結(jié)的方式進(jìn)行粉體的燒結(jié)。樣品平放在平板上的小坩堝里，樣品之間用配料隔開。用含有PbO的填料將樣品完全覆蓋，蓋好，坩堝與平板之間用ZrO2密封，外面罩上大坩堝，然后將樣品放入箱式爐中按設(shè)定的溫度進(jìn)行燒結(jié)。裝配示意圖如圖。
（來源：王佳：PZT壓電陶瓷制備工藝及性能研究）
實(shí)驗(yàn)三：由于燒結(jié)過程中鉛會(huì)揮發(fā)，需要用PLZT粉對(duì)陶瓷片進(jìn)行包埋以創(chuàng)造鉛氣氛，減少陶瓷片中鉛的揮發(fā)，有利于得到致密的陶瓷。同時(shí)，將陶瓷片豎著插入包埋粉中，可以很好地解決陶瓷片易變形彎曲的問題。
以上是解決鋯鈦酸鉛壓電陶瓷燒結(jié)過程中鉛揮發(fā)問題的經(jīng)驗(yàn)技巧。下面，我們將系統(tǒng)地來了解鋯鈦酸鉛壓電陶瓷的燒結(jié)。
PZT壓電陶瓷概況
鋯鈦酸鉛壓電陶瓷具有較高的居里溫度(380℃)和壓電常數(shù)，易摻雜改性、穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)，在電子信息、機(jī)械工業(yè)、儀器儀表等領(lǐng)域具有很重要的地位，是制備濾波器、變壓器、超聲換能器和電光、光聲器件等大部分電子產(chǎn)品的基礎(chǔ)材料。
壓電陶瓷的制備工藝很大程度上決定了陶瓷的最終性能，PZT陶瓷的制備工藝一般包括粉體合成、陶瓷的成型及燒結(jié)三大部分，每一部分制備工藝對(duì)陶瓷最終的質(zhì)量都有著至關(guān)重要的影響。
PZT粉體合成是制備PZT陶瓷的基礎(chǔ)，PZT粉體合成方法包括固相反應(yīng)法和濕化學(xué)合成法，為制得具有粒徑分布均勻、范圍窄、粒徑小、純度高、燒結(jié)性能好等優(yōu)良特性的PZT粉體，研究者們?cè)趥鹘y(tǒng)粉體合成工藝基礎(chǔ)上進(jìn)行了大量的探索，得到了如機(jī)械化學(xué)固相反應(yīng)法、水溶性共沉淀方法、微波-水熱法、溶劑熱合成法以及氧化劑過氧化氫合成法等新粉體合成工藝。
鋯鈦酸鉛陶瓷的燒結(jié)研究
壓電陶瓷元件的最終性能很大程度上取決于陶瓷的制備條件，每一步都得仔細(xì)地加以控制以得到最優(yōu)產(chǎn)品。其中燒結(jié)過程是獲取所期待的多晶材料工藝中又一重要和發(fā)生質(zhì)變的一環(huán)，其燒結(jié)現(xiàn)象、機(jī)理與工藝控制的研究對(duì)于改進(jìn)材料的顯微結(jié)構(gòu)及其相應(yīng)的物理化學(xué)性能有著十分重要的意義。
傳統(tǒng)固相燒結(jié)
固相燒結(jié)是制備PZT陶瓷的傳統(tǒng)方法，由于其操作簡單，不需要特殊設(shè)備，是已實(shí)現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)PZT的主要方法。但它又存在著嚴(yán)重不足，如需要較高的燒結(jié)溫度才能燒結(jié)（通常溫度高達(dá)1300~1400℃），而PbO在高于800℃就會(huì)揮發(fā)，這樣勢必會(huì)引起組分波動(dòng)，最終影響PZT陶瓷的性能，所以要求對(duì)燒結(jié)條件和燒結(jié)氣氛的控制非常嚴(yán)格。為降低固相燒結(jié)的不足，人們對(duì)其進(jìn)行改進(jìn)，探索更佳的成分組成和工藝條件。如為減少燒結(jié)時(shí)鉛揮發(fā)，樣品放在密封的坩堝內(nèi)，并保證在飽和的PbO氣氛條件下進(jìn)行燒結(jié)。
制備超細(xì)粉體促進(jìn)燒結(jié)
PZT粉體傳統(tǒng)上是用氧化物作為原料通過固相反應(yīng)來制備的。這種傳統(tǒng)方法要求較高的煅燒溫度，通常不可避免地造成PZT粉體的顆粒粗化和團(tuán)聚，而硬團(tuán)聚體的存在將會(huì)造成陶瓷較差的微觀結(jié)構(gòu)和性質(zhì)。為解決該問題研究者們已經(jīng)做了很多的努力，其中之一就是用超細(xì)PZT粉體來制備器件。這些超細(xì)粉體大多用濕化學(xué)方法來合成，包括水熱法、sol-gel和化學(xué)共沉淀法等。
但這些濕化學(xué)法也存在一定的不足，例如前驅(qū)體粉體都要在一定的溫度下煅燒才能得到所要求的PZT相，再者濕化學(xué)方法中涉及到一些對(duì)濕度和光敏感的化學(xué)成分，從而處理它們比較困難。此外濕化學(xué)法也耗時(shí)，反應(yīng)完全結(jié)束需要很長時(shí)間，工序相對(duì)復(fù)雜。
添加燒結(jié)助劑降低燒結(jié)溫度
二是通過形成液相燒結(jié)來降低燒結(jié)溫度。形成的液相可以使晶粒重排、強(qiáng)化接觸，進(jìn)而可提高晶界的遷移率，加快氣孔的排出，促進(jìn)晶粒的發(fā)育，提高陶瓷的致密度，達(dá)到降低燒結(jié)溫度的目的。
三是通過過渡液相燒結(jié)來達(dá)到降低燒結(jié)溫度的目的。低熔點(diǎn)添加物先形成液相促進(jìn)燒結(jié)，之后被吸入到主晶相中起到摻雜改性的目的，這種“雙重效應(yīng)”可以使燒結(jié)溫度降低250℃~300℃，并對(duì)性能的提高有一定的促進(jìn)作用。
反應(yīng)燒結(jié)
反應(yīng)燒結(jié)，就是在組分相互發(fā)生反應(yīng)的同時(shí)達(dá)到致密化，是將混合均勻的多組分粉體壓成素坯，在隨后的燒結(jié)過程中各組分之間或組分與燒結(jié)氣氛之間發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，獲得預(yù)期設(shè)計(jì)組成的復(fù)相陶瓷。其特點(diǎn)是在燒結(jié)傳質(zhì)過程中，除利用表面自由能下降作為推動(dòng)力外，還包括一種或多種化學(xué)反應(yīng)能作為推動(dòng)力或激活能；粉體合成和致密化燒結(jié)一步完成。由于反應(yīng)燒結(jié)過程簡單，能增強(qiáng)致密化程度，比濕化學(xué)方法有更大的優(yōu)勢，從而被認(rèn)為是PZT壓電陶瓷的一種很有前途的制備技術(shù)。
熱壓燒結(jié)
近30多年來，應(yīng)用熱壓方法燒結(jié)得到性能優(yōu)良的新型固體材料已經(jīng)取得了顯著的成就，例如Si3N4、SiC等。它是利用塑性流動(dòng)、離子重排和擴(kuò)散對(duì)材料進(jìn)行致密化，近年來也被用于壓電陶瓷的制備中。
沖擊波活化改性促進(jìn)燒結(jié)
由于沖擊波加載技術(shù)具有壓力大、溫度高、作用時(shí)間短的特點(diǎn)，可以實(shí)現(xiàn)合成和改性的目的，并可有效地限制和減少晶粒的長大。此外，沖擊處理后又可引入大量缺陷和很多點(diǎn)缺陷移動(dòng)的渠道，從而使氣孔迅速排除，可提高難燒結(jié)陶瓷的致密度。
冷燒結(jié)工藝
2016年，美國賓夕法尼亞大學(xué)Randall課題組發(fā)明了一種“冷燒結(jié)(cold sinteringprocess,CSP)”新技術(shù)，該工藝通過向陶瓷粉體中添加少量瞬態(tài)液相(如V2O5，Na2Mo2O7，K2Mo2O7，Li2MoO4)，并施加高壓(350~500MPa)促進(jìn)顆粒間的擴(kuò)散和重排，使得陶瓷粉體在較低的溫度(室溫~300℃)和較短時(shí)間(30~60min)實(shí)現(xiàn)致密化。
PZT陶瓷冷燒結(jié)制備工藝示意圖
（來源：郭茹，等：PZT陶瓷冷燒結(jié)工藝的優(yōu)化與壓電性能研究）
與傳統(tǒng)高溫?zé)Y(jié)工藝不同，冷燒結(jié)工藝中機(jī)械力−化學(xué)力耦合增強(qiáng)的傳質(zhì)作用為燒結(jié)致密化提供了驅(qū)動(dòng)力。目前，冷燒結(jié)工藝已被應(yīng)用到多種高性能結(jié)構(gòu)陶瓷(ZrO2陶瓷、功能陶瓷(BaTiO3，SrTiO3，Pb(Zr1−xTix)O3等)、鋰離子正極材料(LiFePO4)、金屬氧化物(ZnO，Bi2O3)及NASICON型固態(tài)電解質(zhì)等材料的制備中。提高冷燒結(jié)工藝制備的樣品致密度有助于增強(qiáng)壓電性能。
展望
PZT壓電陶瓷具有優(yōu)異的壓電與介電性能，在光學(xué)、聲學(xué)、電子科學(xué)領(lǐng)域都有廣泛應(yīng)用，是應(yīng)用最多的一種壓電材料，其在未來的發(fā)展中應(yīng)繼續(xù)深入對(duì)低溫?zé)Y(jié)PZT陶瓷的研究。目前PZT的低溫?zé)Y(jié)技術(shù)還不能徹底解決鉛揮發(fā)問題，需進(jìn)一步研究降低燒結(jié)溫度，在保證材料的優(yōu)異性能的同時(shí)節(jié)約生產(chǎn)成本、提高生產(chǎn)效率并有利于環(huán)保。同時(shí)還應(yīng)發(fā)展性能優(yōu)異的無鉛系列壓電陶瓷，深入研究無鉛系列壓電陶瓷，使其性能可以與PZT陶瓷性能媲美，代替PZT陶瓷在各領(lǐng)域中的角色。
（中國粉體網(wǎng)編輯整理/平安）
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