壓電陶瓷低溫?zé)Y(jié)的研究進(jìn)展

吳木義 （合肥學(xué)院化學(xué)與材料工程系 230022）

壓電陶瓷低溫?zé)Y(jié)的研究進(jìn)展

吳木義 （合肥學(xué)院化學(xué)與材料工程系 230022）

綜述了壓電陶瓷低溫?zé)Y(jié)研究的必要性以及目前壓電陶瓷低溫?zé)Y(jié)所采用的主要方法。

壓電陶瓷；低溫；方法

引言

壓電陶瓷的發(fā)現(xiàn)與發(fā)展已有50 余年，是一類極為重要的國際競爭激烈的高技術(shù)新型功能材料，作為傳感器、蜂鳴器、激勵(lì)器等在電子學(xué)、微機(jī)電學(xué)等諸多高科技領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，遍及社會(huì)生活的各個(gè)角落。隨著科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，對(duì)壓電陶瓷的性能也有了更高的要求[1]。

1 .壓電陶瓷低溫?zé)Y(jié)研究的必要性

目前，在壓電陶瓷應(yīng)用領(lǐng)域占主導(dǎo)地位的是以PbTiO3-PbZrO3(PZT) 為基的二元系、三元系陶瓷。這種傳統(tǒng)壓電陶瓷的燒結(jié)溫度一般都在1200～1300℃左右。另外，由于在高溫?zé)Y(jié)時(shí)鉛的嚴(yán)重?fù)]發(fā)，導(dǎo)致材料的化學(xué)計(jì)量比偏離原先所設(shè)計(jì)的配方，使其電性能下降，同時(shí)揮發(fā)出有毒的鉛污染環(huán)境，損害人類的健康和生活環(huán)境。目前常用的燒結(jié)方法主要有密封燒結(jié)法、埋燒法、氣氛法、過量PbO法，但這些方法主要是為了確保配方中的化學(xué)計(jì)量比不變，并不能從根本上解決鉛的揮發(fā)。因此抑制鉛揮發(fā)積極而有效的方法是實(shí)現(xiàn)壓電陶瓷的低溫?zé)Y(jié)。日本學(xué)者Saito等[2]在Nature雜志上報(bào)道成功制備了一種新型的KNN陶瓷，這種陶瓷的性能通過后來科研工作者的摻雜改性已經(jīng)達(dá)到甚至在某些方面超出了目前得到廣泛應(yīng)用的高性能PZT陶瓷。然而，KNN壓電陶瓷有一個(gè)很大的缺點(diǎn)，難以采用傳統(tǒng)陶瓷工藝制備致密性良好且性能優(yōu)異的陶瓷體。這主要是由于以下兩個(gè)方面的原因：(一) KNN陶瓷的相穩(wěn)定性被限制在1140℃，超過1140℃，KNN陶瓷將不能以固態(tài)形式存在。因此，燒結(jié)溫度不宜過高，這就阻礙了KNN陶瓷的致密化。(二)由于在燒結(jié)過程中堿土元素的揮發(fā)，使化學(xué)計(jì)量比發(fā)生偏離，產(chǎn)生另外一種雜質(zhì)相，這種物質(zhì)遇到潮濕的環(huán)境，非常容易發(fā)生潮解。這些缺點(diǎn)都極大地限制了無鉛壓電陶瓷的應(yīng)用。為了克服上述缺陷，國內(nèi)外學(xué)者從添加第二組元、添加燒結(jié)助劑、改善制備工藝等方面對(duì)KNN無鉛壓電陶瓷作了大量研究[3]。

2.壓電陶瓷低溫?zé)Y(jié)的發(fā)展?fàn)顩r

壓電陶瓷的低溫?zé)Y(jié)技術(shù)的研究開始于1960年以后，通常都是從添加燒結(jié)助熔劑和改進(jìn)工藝兩方面來降低燒結(jié)溫度的。自從20世紀(jì)80年代以后，國內(nèi)外學(xué)者對(duì)壓電陶瓷的低溫?zé)Y(jié)進(jìn)行了廣泛的研究。清華大學(xué)李龍土等在PZT二元系中添加助熔劑，研制出960℃低溫?zé)Y(jié)、具有良好性能的材料[4]。Q. Yin 等在KNN基陶瓷中添加燒結(jié)助熔劑，低溫下制備了性能優(yōu)良的無鉛壓電陶瓷材料[5]。另外，研究人員在改進(jìn)工藝方面也進(jìn)行了很多有益的探索，并取得了一定的成果。 H. Yamamura等采用多步化學(xué)共沉淀法分別合成的pbMg1/3Nb2/3O3可以在I000℃左右實(shí)現(xiàn)低溫?zé)Y(jié)[6]。

3.目前壓電陶瓷低溫?zé)Y(jié)所采用的主要方法

3.1 采用添加助熔劑來降低燒結(jié)溫度

在配料中添加助熔劑，通常有三種方式來減低其燒結(jié)溫度[7,10]。第一種方式是通過形成固溶體來降低燒結(jié)溫度。離子置換使晶格發(fā)生晶格畸變，增加了晶體內(nèi)結(jié)構(gòu)缺陷，降低電疇間的勢(shì)壘，從而有利于離子擴(kuò)散，促進(jìn)燒結(jié)，但離子置換要在一定的條件下發(fā)生，所以降溫幅度不大，一般在200℃以內(nèi)；第二種方式通過形成液相燒結(jié)來降低燒結(jié)溫度。液相燒結(jié)中的晶粒重排、強(qiáng)化接觸可提高晶界遷移率，使氣孔充分排除，促進(jìn)晶粒發(fā)育，提高瓷體致密度，達(dá)到降低燒結(jié)溫度的目的。但液相生成物一直保留在陶瓷結(jié)構(gòu)中，所以容易導(dǎo)致壓電、介電性能的下降；第三種方式是通過液相燒結(jié)來降低燒結(jié)溫度并改善性能。低熔點(diǎn)添加物在燒結(jié)過程中先形成液相促進(jìn)燒結(jié)，而到了燒結(jié)后結(jié)后期又作為最終相回吸入主晶相起摻雜改性作用。低熔點(diǎn)添加物的這種“雙重效應(yīng)”可使燒結(jié)溫度降低250～300℃，同時(shí)提高材料的壓電性能而且成本低、工藝簡單，是目前實(shí)現(xiàn)壓電陶瓷低溫?zé)Y(jié)較為理想的一種方法。

3.2 采用先驅(qū)體合成法來降低燒結(jié)溫度

該方法的主要途徑是采用化學(xué)制粉法來制備高比表面的高活性壓電陶瓷粉體，由于粉體的表面能比較大，燒結(jié)的驅(qū)動(dòng)力就大，從而使燒結(jié)溫度得到降低，另外，通過強(qiáng)化細(xì)磨條件等工藝手段，也可以使粉體的活性增強(qiáng)，從而降低PZT壓電陶瓷材料的燒結(jié)溫度[8]。

3.3 采用熱壓法來降低燒結(jié)溫度

熱壓法可增加陶瓷的燒結(jié)推動(dòng)力，有利于氣孔或空位從晶界擴(kuò)散到陶瓷體外，從而提高瓷坯密度，降低燒結(jié)溫度。采用熱壓燒結(jié)的PZT壓電陶瓷材料，燒結(jié)溫度降低了150～200℃，而且所得陶瓷材料結(jié)構(gòu)更加致密，晶粒尺寸均勻，壓電性能遠(yuǎn)優(yōu)于傳統(tǒng)燒結(jié)陶瓷。但由于熱壓燒結(jié)加熱、冷卻時(shí)間長，故生產(chǎn)效率低，成本高，而且燒結(jié)溫度不能降得太低[9,11]。

3.4 采用微波燒結(jié)來降低燒結(jié)溫度

微波燒結(jié)是一種材料燒結(jié)的新工藝，它是利用微波電磁場(chǎng)與陶瓷材料相互作用，材料通過介電損耗而被體積性加熱至燒結(jié)溫度，從而實(shí)現(xiàn)致密化。微波燒結(jié)已顯示出一定優(yōu)越性，但也存在一些不足。主要表現(xiàn)在容易出現(xiàn)不均勻加熱現(xiàn)象或熱失控。陶瓷體的燒結(jié)尺寸受限，對(duì)于工業(yè)化生產(chǎn)，還需要進(jìn)一步的研究[11]。

4.小結(jié)

二十世紀(jì)九十年代以來，壓電陶瓷元器件為了適應(yīng)集成電路表面組裝技術(shù)(SMT)的需要，正在向高性能、微型化、集成化、輕量化方向發(fā)展，而開發(fā)低溫?zé)Y(jié)壓電陶瓷材料是發(fā)展高性能、高可靠性、低成本陶瓷疊層復(fù)合體的重要研究方向。綜上所述，實(shí)現(xiàn)壓電陶瓷低溫?zé)Y(jié)，在抑制鉛的揮發(fā)、保證材料性能、減輕環(huán)境污染、延長設(shè)備使用壽命等方面將發(fā)揮重要的意義。

[1]肖定全. 關(guān)于無鉛壓電陶瓷及其應(yīng)用的幾個(gè)問題[J], 電子元件與材料. 2004, 23(11):62-65.

[2]Y. Saito, H. Takao, T. Tani, T. Nonoyama, K. Takatori, T. Homma, T. Nagaya, M. Nakamura, Lead-free piezoceramics[J], Nature (London). 2004，432: 84-87.

[3] 賃敦敏, 肖定全, 朱建國等. 鈮酸鹽系無鉛壓電陶瓷的研究與進(jìn)展---無鉛壓電陶瓷20 年專利分析之四[J]. 功能材料.2003, 34(6):615-618.

[4] 柴京鶴，李龍土等. 低溫?zé)Y(jié)PZT壓電陶瓷的研究[J]. 清華大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版).1988，28(3):l.

[5] Q. Yin, S. Yuan, Q. Dong, etal. Effect of Cu and Mn doping on electrical properties of 0. 92(K0.48Na0.54)NbO3-0.08LiNbO3 under low-temperature sintering[J]. J. Alloys Compd., 2010, 491: 340-343.

[6] H. Yamamura, S. Kuramoto, etal. Prepation of Pb(Zr,Ti)O3 through the use of Capefrron [J]. J. Am. Ceram. soc., 1984, 67(l):2.

[7] 馬元, 沈建興, 閆春蕾. PZT 壓電陶瓷液相低溫?zé)Y(jié)技術(shù)的研究進(jìn)展[J]. 山東輕工業(yè)學(xué) 院學(xué)報(bào). 2008, 22(4):15-18.

[8] 于進(jìn)杰, 黃志瑛, 魏霞. 壓電陶瓷低溫?zé)Y(jié)的基本方法探討[J]. 廣西輕工業(yè). 2008,12:60.

[9] 付劍, 李承恩, 趙梅瑜等. 低溫?zé)Y(jié)PZT壓電陶瓷研究進(jìn)展[J]. 材料導(dǎo)報(bào). 2000,14(l):38.

[10] 朱宏亮. 低溫?zé)Y(jié)PZT-PbO-WO3壓電陶瓷性能研究[D]. 天津大學(xué). 2005.

[11] 陳豐, 楊世源, 王軍霞等. 關(guān)于PZT壓電陶瓷低溫活化燒結(jié)的研究進(jìn)展[J].

材料導(dǎo)報(bào).2007, 21 (2):26-29.

10.3969/j.issn.1001-8972.2010.10.062

吳木義(1987-) , 安徽蕪湖人, 本科。