壓電陶瓷原材料的處理和選擇

加熱又能分解出活潑性較大的氧化物的相應碳酸鹽，如碳酸鈉Na2CO3碳酸鎂MgCO3，碳酸鍶SrCO3，碳酸鈣CaCO3，碳酸鋇BaCO3，碳酸鎂MgCO3等。

在合成過程中，各組成成份是否容易進行固相反應和反應速度的快慢，在很大程度上決定于原材料本身的活潑性。活潑性好的原材料，既能促使固相反應完全，又有利于降低合成溫度，還能減少在合成過程中鉛的揮發。

低溫易于分解的堿式碳酸鉛2PbCO3.Pb{OH}2和四氧化三鉛，它們在分解時由于脫氧而生成活潑性較大的氧化鉛PbO,對固相分應有利。四氧化三鉛的活潑比氧化鉛的強得多，而堿式碳酸鉛的活潑性又比四氧化三鉛強得多。因為堿式碳酸鉛在6200C附近，即進行固溶體的合成反應，在8500C反應就基本結束；四氧化三鉛在5000C以上脫氧，在6400C 左右才開始進行固相反應，到8500C反應基本結束；氧化鉛由于在低溫無分解反應，當然活潑性就差，使固溶體合成反應的起始溫度提高到6000C以上，而反應結束溫度也移后到8000C。這就充分說明，采用活潑性較好的原材料可以降低合成溫度。

盡管堿式碳酸鉛活潑性較好，對于合成有利，但由于性質不夠穩定，易于分解，純度也較低，比重又較小，價格較高，對生產不利，一般很少采用。

生產實踐證明；只要根據工業純四氧化三鉛，二氧化鋯和二氧化鈦的產地，純度和顆粒度等具體情況，選擇合適和合理的生產工藝，是完全可以取代化學試劑純材料的。但是，要求工業純材料批量要大些，貨源要相對穩定。一般來說，四氧化三鉛每批不少于500公斤，二氧化鋯每批不少于200公斤，二氧化鈦每批不少于100公斤，并分別為同一生產廠家的同批材料。壓電陶瓷原材料的處理和選擇

2 壓電陶瓷換能器材料的類型可分為接受型，發射型和收發兼用型等三種。不同類型的雜質對不同類型的壓電陶瓷換能器的性能產生不同的影響，尤其對接收型，發射型的性能參數有極其重要的作用。一般情況下，在接收型壓電陶瓷換能器中，總要加入一定數量對介質損耗和機械品質因數產生不利影響，但能降低導電率和老化速率的三價或五價{如鑭La2+,鈮Nb5+,銻Sb5+等}施主雜質，在這類換能器的壓電陶瓷元件的配料中，若存在微量的其它雜質，尚不足以顯著影響由引入施主雜質所產生的既定作用，所以雜質含量可以允許稍高一些，一般為0.5%左右。

對發射型壓電陶瓷換能器，配料中的雜質總量，總是越少越好。一般希望在0.05%以下。如若為了提高制品的介電常數或改進工藝等特殊目的，而有意加入添加物，就另當別論了。

3 原材料在配方中的比例，在壓電陶瓷元件中，所引進的各雜質的總量，隨原材料在配方中所占比例的大小而不同。因此對原材料的雜質要求，應因量而異。

在PZT配方中，比例較大的四氧化三鉛，二氧化鋯和二氧化鈦在配方中分別占重量比的60%，20%和10%左右，若這些原材料中的雜質含量較高，所引入的雜質總量也就相應較多。因此，要求雜質總含量均不超過2%，也就是說，要求純度均在98%以上。

至于配方中比例較小的添加物，如碳酸鈉Na2CO3,碳酸鍶SrCO3,氧化鉍Bi2O3,氧化鑭La2O3,氧化鈮Nb2O5,三氧化二銻Sb2O3等，對它們的雜質總含量要求可以稍高一些，一般均在3%以下。也就是說，要求純度均在97%以上。

二.原材料的細度

細度是指壓電陶瓷所用粉末材料顆粒的粗細度。一般都以最大粒徑，平均粒徑或比表面積表示，有時也用顆粒組成{既不同粒徑原料組成的重量百分率}來表示。一般原料越細，則其平均粒徑越小，比表面積也越大。

任何一批粉狀原材料總不可能都是由大小完全相同的顆粒組成的，對于接近球形的粒狀粉末來說，可以用顆粒直徑的微分或積分分布曲線來表示這批原材料的細度和細度分布情況。進行顆粒組成分析是保證生產工藝和產品性能的穩定性的一項有效措施。

目前測定顆粒直徑的方法很多，有篩分法，顯微鏡觀察法，沉降法比表面法等幾種。顯微鏡法是直接用顯微標尺進行測定的，而細度的分布則可選擇具有代表性視野進行統計計算。為了得到足夠準確的分布曲線，統計的顆粒數應不小于1000個。這種方法雖然很簡單{常用來測定粒徑在5um以下的超細粉狀材料}，但費時頗多，所得結果也不太精確，因此應用不很廣泛。沉降法是生產中經常采用的一種方法，它用直徑不同的顆粒在懸浮液體中沉降時所需的時間不同，而把直徑不同的顆粒分離出來的。作出顆粒細度的分布的方法也不復雜，但只適用于直徑10微米以下的顆粒粉末。

對于顆粒在10微米以上的粗顆粒，可以用篩分法進行測定。由于篩分法是利用孔徑不同的絲網對顆粒進行分級，因而也可作出細度的分布曲線。但絲網的孔徑不可能作的太小，而且絲網的孔徑越小篩分越困難。因此只適用于容易過篩的粗顆粒。

以上的幾種方法都可以直接測定原料的顆粒直徑和分布特征，一般來說都比較全面地反映出原料的細度狀況。雖然這些方法本身都不是很復雜，但在實際生產中所以篩分法應用最為普遍。采用篩分法。大都以標準篩{萬孔篩10000孔/CM2，孔徑約為66um}來控制原料的細度，過篩后，用水沖洗并收集篩網上的篩余原料，經烘干后再稱取其重量，然后算出篩余粉料占全部被試原料的百分比，即作為該批原料細度的一個指標。篩余量越大，粉料細度越差。{即越粗}，這種方法實際上是用原料中顆粒最粗的粒子所占的比例來度量該批原料的，對于測定用化學的或物理方法細化的原料的細度，這種方法就不太有效。

原料的細度對壓電陶瓷的質量有極大的影響，因為顆粒較細，比表面積較大的原料不僅成型密度高，表面活化能較大的原料固相反應也比較完全。便于在較低的溫度和較寬的溫度范圍內獲得較好的燒結效果。一般來說壓電陶瓷原料的粒徑都要求在10um以下，能在1~2um以下當然更好，這對化工原料來說經振磨后一般問題不大，對礦物原料來說則難讀較大視起始的機械破碎程度而定，對那些用量很少或者堅硬而不易磨細的原料，必須先經過充分磨細，再予以混磨才能充分保證配料的均勻性和一致性，否則將使壓電陶瓷的工藝穩定性和重復性變壞。

三穩定性和活性

所謂穩定性和活性，是就制作壓電陶瓷元件時對原材料的要求而言。前者是指在末進行固相反應前原材料本身的穩定性，后者是指在固相反應過程中原材料本身的活性，是一個問題的兩個方面。

制作壓電陶瓷元件，一般都采用金屬氧化物作原料，但堿金屬和堿土金屬氧化物的通性是容易和水作用，在空氣中不易貯存，所以鈉Na,鈣Ca，鋇Ba，鍶Sr，鎂Mg的氧化物就不宜采用。只能采用它們具有和水不起作用，且較穩定

壓電陶瓷原材料的處理和選擇

壓電陶瓷原材料的處理和選擇

壓電陶瓷主要工藝介紹

原材料的本質將對壓電陶瓷的最終性能產生決定性的影響。壓電陶瓷與傳統的陶瓷最大的區別是它對原料的純度，細度，顆粒尺寸和分布，反應活性，晶型，可利用性以及成本都必須加以全面考慮和控制。

原材料在很大程度上，可決定壓電陶瓷元件性能參數的高低，對工藝的順利進行有重要影響因此，對所用元材料的性能必須有所了解，選擇原材料必須符合經濟合理的原則。

壓電陶瓷所用的各種原料，一般都是各種金屬氧化物，有時也采用各種鈦酸鹽，鋯酸鹽，錫酸鹽，鐵酸鹽和碳酸鹽等。目前壓電陶瓷生產上所用的各種原材料，具有很強的地方性，原材料的質量往往隨產地和批號的不同而有很大的區別和差異。嚴重影響了生產質量的穩定性。因此掌握原材料質量對產品性能的影響，進而在生產中預以有效的控制，對確保產品的質量有很大的現實意義。

總的來說，壓電陶瓷材料所用的原材料可以分為化工原料和礦物原料二大類。凡是經由化工廠加工處理而提供的原料稱為化工原料如BaCO3. SrCO3. CaCO3. MgCO3. Pb3O4. TiO2. ZrO2. Nb2O5. La2O3等，而直接由礦山開采，只經過適當加工的原料就稱為礦物原料。常用的礦物原料有粘土，長石，石英，滑石，菱鎂礦，大理石，白云石等。

一般的日用瓷，普通的電工瓷和部分的無線電陶瓷如{滑石瓷等}幾乎都是用礦物原料配成的，而壓電和強介電容器等無線電陶瓷則幾乎完全是由化工原料配制而成的。

原料的純度，細度，{或稱粒度}和活性是衡量原料質量的三個重要指標。不論制造鈦酸鋇，鈦酸鉛，還是制造二元系鋯鈦酸鉛以及三元系鈮鎂酸鉛等壓電陶瓷元件，二氧化鈦，二氧化鋯，氧化鉛或四氧化三鉛等，都是主要原材料，一般都在10~60%范圍內。

一. 原料的純度

純度就是原料的純凈程度，相對來說也是指原料的含雜程度。純度越高的原料所含的雜質種類和數量越少。化工原料按純度可分為工業純和試劑純二大類。而試劑純的原料按純度高低又可分為四級，各種化工原料的主要特點如表1所示。工業純的原料生產量大，供應穩定，同批產品的一致性和活性都較好，價格也較便宜。因此在能夠保證產品產量的前提下應該盡可能選用工業純原料，以降低成本；但工業純原料的純度較低；不同批號原料的純度波動較大。試劑純原料的純度雖較高但在價格方面卻要比工業純原料貴幾倍，至幾十倍，純度高的原材料，固然含雜質少，但燒結溫度較高，最佳燒結溫度也較窄，給燒結帶來一定的困難。工業純原料的純原料的純度不高，但是對陶瓷產品性能危害的雜質只有一，二種，因此如果在化工廠采取特殊措施除去這些雜質，又添加某些能改善性能的微量添加劑，而不進行全面的提純，則不僅原料的成本將進一步大幅度降低，也能更符合陶瓷生產的要求。純度較低的一些元材料，有的雜質還可以在燒結過程中起到礦化劑或助溶劑的作用，反而使燒結溫度較低，最佳溫度范圍較寬，在一定程度上起到有利作用。這種特定的工業純原料有時也稱為“陶瓷純”或“電容器純”。

原材料中含有各種各樣的雜質，對壓電陶瓷元件的不同型號，配方的作用和影響也各不相同。所以應區別對待，對具體情況需具體分析。對產品性能和工藝過程最敏感的原料應選擇較高的純度；與原料的化學性質相近，能形成置換式固溶體的雜質的最高含量可以略高；對那些能使晶格發生嚴重畸變的雜質，或者能在晶體中產生自由電子和空穴的“施主雜質”和“受主雜質”以及變價過渡元素{SiO2}的最高含量必須嚴格控制，有時這類雜質即使只有0.1wt%就會使物理性能嚴重惡化而完全失去使用階值。如K+，Na+,等鹵族元素將使鐵電，壓電陶瓷材料的絕緣電阻顯著降低，使極化時容易擊穿，損耗增大，介電常數和機電耦合系數Kp下降，其總含量控制在0.01%以下。一般來說，在制作PZT壓電陶瓷元件中，二氧化鈦，二氧化鋯和四氧化三鉛可采用工業級材料，它們的純度均能達到98%以上。實際生產中原材料的主成分含量都是采用化學分析方法測定，雜質含量則常在已有經驗基礎上采用半定量的光譜分析，必要時也可進行x射線衍射分析和電子探針微區分析。

對不同原材料所含不同雜質的允許量是不同的。這主要根據下述三個因素來決定：

1 雜質的類型可分為有害與有利兩種。一類是有害雜質，特別是異價離子，如硼B，碳C，磷P，硫S，AL等。由于它們對制品的絕緣，介電性能產生極大影響，有時既使配料中含量在0.1%以下，影響也很大。因此，要求象這類有害雜質的量越少越好。另一類是有利雜質，對與鉛離子Pb2+同屬二價或與鈦離子Ti4+，鋯離子Zr4+同屬四價，而離子半徑相近，能形成置換固溶體的雜質，如鈣Ca2+,鍶Sr2+,鋇Ba2+,鎂Mg2+,錫Sn2+,鉿Hf4+等離子。這類雜質離子在配料中可以允許含量稍高一些，一般在0.2~0.5%范圍內，對制品性能沒有壞的影響，對工藝反而有利。接