可行性方案-刘海军

压电陶瓷换能器的可行性初步研究一、背景介绍1.1压电陶瓷相关的基本概念压电陶瓷：一种能够将机械能和电能互相转换的功能陶瓷材料，属于无机非金属材料。这是一种具有压电效应的材料。正压电效应：某些材料在机械应力作用下，引起内部正负电荷中心相对位移而发生极化，导致材料两端表面出现符号相反的束缚电荷的现象。称逆压电效应：施加激励电场，介质将产生机械变形的现象。1.2压电陶瓷的发展现状及其分类压电陶瓷是含高智能的新型功能电子材料，随着材料及工艺的不断研究和改良，压电陶瓷的技术越来越广，而且随着电子，信息，航空航天高科学技术领域日新月异的发展，压电陶瓷材料的制作技术和应用开发将会越来越受到人们的关注和重视。压电陶瓷目前有以下几种分类：A：一元系压电陶瓷BaTiO3是典型的陶瓷铁电体，机电耦合系数大，制备容易可以制成任意形状和任意极化方向的产品等的优点。PbTiO3居里温度高（Tc=490），自发极化强度是各种钙钛矿型晶体结构的铁电体中最高的，是一种具有热释电性和压电性，能在高温下使用的压电陶瓷。B：二元系压电陶瓷PbZrO3-PbTiO3（PZT）相比一元系具有高耦合，高机械品质因数和高稳定性等特征，在使用范围内没有明显相变点，可作为滤波器等通信材料，而高耦合，高介电常数方面的优点又明显扩大了压电陶瓷的应用范围，不仅可以作为振子，而且还可以作为换能器材。C：三元系及多元系压电陶瓷三元系陶瓷比二元系更具有优越的性能，可以大幅度地调节可供选择的组成成份和压电性，容易获得高机电耦合数的接受型材料。压电陶瓷的发展趋势：压电复合材料，压电薄膜，无铅压电陶瓷，纳米压电陶瓷等，出现高位移的新型压电致动器，压电变压器，主动减振和降噪的压电器件，医用微型压电陶瓷传感器等新器件。二、压电陶瓷换能器2.1压电陶瓷特点及其应用分类压电陶瓷换能器的特点是：致密度高、机械强度高、加工容易、适合大批量生产。经过一些容易实现的加工手段就可制成任何给定的形状和几何尺寸。它们的化学性质不活泼,不易受化学侵蚀,不受湿汽和其他恶劣气候条件的影响。此外,这些陶瓷的机械定向和电学定向可与陶瓷的形状准确取向。压电陶瓷换能器广泛应用于数据处理、信息处理、通讯、声纳、陀螺、水声器、记步器、激光器、喷墨打印、超声清洗、超声焊接、报警、以及燃气设备等行业和技术领域。压电陶瓷的主要应用领域举例如表1所示。表1压电陶瓷的主要应用领域举例应用领域举例一电源压电变压器雷达，电视显像管，阴极射线管，盖克技术管，激光管和电子复制机等高压电源和压电点火装置二信号源标准信号源振荡器，压电音叉，压电音片等用作精密仪器中的时间和频率标准信号源三信号转换电声换能器拾声器，送话器，受话器，扬声器，蜂鸣器等声频范围的电声器件四发射与接收超声换能器超声切割，焊接，清洗，搅拌，乳化及超声显示等频率高于20KHz的超声器件，压电马达，探测地质构造，油井固实程度，无损探伤和测厚，催化反应，超声衍射，疾病诊断等各种工业用的超声器件水声换能器水下导航定位，通讯和探测的声纳，超声探测，鱼群探测和传声器等五信号处理滤波器通讯广播中所用各种分立滤波器和复合滤波器，如彩电中频滤波器；雷达，自控和计算系统所用带通滤波器，脉冲滤波器等放大器声表面信号放大器以及振荡器，混频器，衰减器，隔离器等表面波导声表面波传输线六传感与计测加速度计压力计工业和航空技术上测定振动体或飞行器工作状态的加速度计，自动控制开关，污染检测用振动计以及流速计，流量计和液面计等角速度计测量物体角速度及控制飞行器航向的压电陀螺红外探测计监视领空，检测大气污染浓度，非接触式测温以及热成像，热电探测、跟踪器等位移与致动器激光稳频补偿元件，显微加工设备及光角度，光程长的控制器七存贮调制用于电光和声光调制的光阀，光闸，光变频器和光偏转器，声开关等存贮光信息存贮器，光记忆器显示铁电显示器，声光显示器等八其它非线性元件压电继电器2.2压电陶瓷的极化机理及机电转换压电陶瓷换能器用陶瓷片的极化过程是压电陶瓷片的电畴在直流电场作用下定向排列的过程。如图2所示。图2压电陶瓷片的极化效应图二中的①为极化前,②为极化后，a为陶瓷片的厚度(即极化电极之间的尺寸)，b为陶瓷片的电极。压电陶瓷片极化后,若给陶瓷片施加一个低于极化电压的交流电信号,陶瓷片就会产生形变,如图(3)所示。如果外加的交流电信号与极化电压的极性相同,就会使陶瓷沿着极化轴(即x方向)继续膨胀，而在垂直于极化轴的方向（即y方向）收缩，如图（3）中的③所示。图3压电陶瓷片极化后产生形变图4压电陶瓷的基本变形图5给陶瓷片加压力或张力产生一定电压的交流部电信号若在陶瓷片上施加的交流信号呈极性相反时就会产生相反的作用：沿极化轴（x方向）出现收缩，垂直于极化轴方向（y方向）出现膨胀。如图（3）中的①所示。在①和③清况下,当在陶瓷片电极上撤除电信号时,陶瓷片就回复到原来的极化尺寸如图2中所示。压电陶瓷片的膨胀和收缩作用使陶瓷片发生变形。两种作用的组合产生一种总体形变,形变性质取决于陶瓷的形状和组分、极化轴的取向和电极的取向。图(4)表示一些陶瓷片的一些形变模式、厚度和表面切变、厚度膨胀和收缩。一般有两种或多种作用同时存在。极化过程完成之后,给陶瓷片加上一个压力和张力就会产生一个具有一定电压的交流电信号,见图5。如图所示,如果所加的压力平行于极化轴,或所加张力垂直于极化轴,就会产生一个极性与极化电压相反的电压。2.3压电陶瓷换能器制造工艺压电陶瓷换能器的制造是经过配料、烧结、机械加工、表面金属化、用直流电场进行极化处理而得到。压电陶瓷的物理、化学和压电特性为适合特殊的应用可以通过设计相应的压电陶瓷材料配方并辅以一定的工艺技术而实现。要得到性能良好的压电陶瓷，必须掌握它的制作工艺。工艺条件的变化，对压电性能的影响很大。因此，我们要认识压电陶瓷的内在规律，设计合理的制作工艺，严格控制它的操作过程。压电陶瓷的制作过程主要包括以下步骤：2.3.1配料2.3.1.1原料的选择和处理原料是制备压电陶瓷的基础。选择原料一般应注意其化学组成和物理状态。(1)纯度对纯度的要求应适度。高纯原料，价格昂贵，烧结温度高，温区窄。纯度稍低的原料，有的杂质可起矿化和助熔的作用，反而使烧结温度较低，且温区较宽。过低纯度原料杂质多，不宜采用。(2)杂质含量压电陶瓷材料中杂质允许量主要根据以下三点因素决定：1)杂质类型①有害杂质对材料绝缘、介电性等影响极大的杂质，特别是异价离子。如B、C、P、S、Al等，愈少愈好。②有利杂质与材料A、B位离子电价相同、半径接近，能形成置换固溶的杂质。如Ca2+、Sr2+、Ba2+、Mg2+、Sn4+、Hf4+等离子，一般在0.2~0.5%范围内，坏的影响不大，甚至有利。2)材料类型①接收型压电陶瓷材料已引入了降低电导率和老化率的高价施主杂质，原料中在0.5%以内的杂质不足以显著影响施主杂质的既定作用。②发射型压电陶瓷材料要求低机电损耗，因而配料中的杂质总量，愈少愈好，一般希望在0.05%以下。对于为了提高其它性能参数的有意添加物，另当别论。3)原料在配方中的比例在PZT配方中，比例大的原料Pb3O4、ZrO2、TiO2分别占重量比的60%、20%、10%左右，若杂质多，引入杂质总量也多。因此，要求杂质总含量均不超过2%，配料混合预烧成型排胶粉碎机械加工烧成上电极极化测试即要求纯度均在98%以上。配方中比例小的其它原料，杂质总含量可稍高一些，一般均在3%以下，即要求纯度均在97%以上，特殊要求例外。(3)稳定性与活泼性稳定性是指未进行固相反应前原料本身的稳定性。如碱金属和碱土金属氧化物易与水作用，在空气中不易保存，不稳定。如Na、Ca、Ba、Sr、Mg的氧化物，不宜采用。宜采用与水不起作用、稳定的、加热又能分解出活泼性大的新鲜氧化物的相应的碳酸盐。如Na2CO3、CaCO3、SrCO3、BaCO3、MgCO3等。活泼性是指在固相反应中原料本身的活泼性。活泼性好的原料能促使固相反应完全，利于降低合成温度，减少铅挥发。如Pb3O4原料比PbO原料活泼性好。因其在加热中可分解脱氧成新鲜活泼性大的PbO。(4)颗粒度原料颗粒度要求小于0.2μm，微量添加物应更细。这样，可增加混料接触面积，利于互扩散反应，使组成均匀，性能良好。另外，还可减小陶瓷内应力，增加机械强度等。在原料的处理方面，有以下常用方法：(1)细磨压电陶瓷采用的原料，若颗粒较粗时，如MnO2、出厂未细磨的ZrO2等，必须细磨。可采取振磨、球磨、行星磨等，小量原料也可用研钵研细。(2)烘干为了不影响配料的准确性，含水原料必须进行烘干脱水处理。一般在电热式干燥箱中干燥。温度110~120℃，时间不少于4小时，直至无水分为止。(3)化学分析在大批量生产压电陶瓷时，每批购进的原料，因制造或分装的厂商不同、批次的不同，其质量可能不同。因此，应抽样化验其纯度或杂质，检测其颗粒度，以保证压电陶瓷的性能。2.3.1.2配方计算与称料(1)配方计算压电陶瓷材料的配方计算通常有两种方法：1)由原料的重量比来计算配方的方法①写出配方的化学分子式②写出所用原料的分子式、纯度，并查出其分子量(mol质量)③用以下公式计算各原料所需用量11iiiniiiixMwWPxM(i=1，2，…，n)(1)式中xi为原料的mol数，Mi为其mol质量，xiMi为其质量，Pi为其纯度；1niiixM为配方总质量；W为总配料用量。该方法适合于配方中以重量百分比给出添加物的情形。2)由原料mol数比例来计算配方的方法①写出配方的化学分子式②写出所用原料的分子式、纯度，并查出其分子量(mol质量)③用以下公式计算各原料所需用量1iiiiwxMXP(i=1，2，…，n)(2)式中X为配料总mol数，其它同上。该方法计算比较简单，特别是配方中以mol百分比给出添加物时，常用此法。(2)称料计算称料必须达到以下要求：①称料天平须有一定精度。批量生产中，大料用0.1﹪克精度天平，小料用0.01﹪克精度天平。称料前，校准零点。②称料既要误差小，又要速度快，以减少原料吸收空气中水分而造成的误差。③称料与投料按大料小料大料顺序，以保证小料在混合中的均匀性。④严防各原料算错、称错、投错，要仔细检查，严格核对。2.3.2混合和粉碎混合是将称量好的原料混合均匀、相互接触，以利于预烧时各原料间充分的化学反应。粉碎是将预烧好的料块碎细化，达到一定的平均粒度和粒度分布，为成型和烧成创造有利条件。(1)工艺方法使用球磨机(滚筒式、行星式、搅拌式和振动式等球磨机)，加磨球(钢球、玛瑙球、锆球等)与介质(水、酒精等)，对原料进行机械混合或粉碎。(2)工艺原理磨球靠电动机产生离心力、摩擦力和地心引力的共同作用，形成碰撞、循环翻动和自转等运动，使介于其中的粉料受到冲击和摩擦研磨，从而达到混合与粉碎细化。(3)球磨工艺具体球磨工艺视不同球磨机而定，其合理的工艺参数要通过实验结果(球磨后混合均匀程度、粉料粒度大小与分布、混杂量、效率和成本等)优选，也可借鉴相关工艺参数。(4)球磨质量的主要影响因素①球磨机转速（视球磨机类型、球磨罐大小等确定）②球磨罐(直径、内衬材料等)③磨球(比重、硬度、形状、磨损率211GGfGt)④粉料填充量(60%左右)⑤粉料、球与磨介的比例（视粉料的吸水性、球比重确定）⑥磨介的作用(粘附、劈裂、流动、分散等)⑦球磨时间（视球磨机类型、进料粒度而定）⑧球磨方式(干法、湿法)2.3.3预烧预烧(也称合成)是通过原料中原子或离子之间在加热作用下的扩散来完成固相化学反应，生成瓷料的过程。(1)预烧的目的①使各原料的固相化学反应充分均匀，生成组成固定的固溶体，形成主晶相。②排除原料中的二氧化碳和水分等，减小坯体的烧成收缩、变形，以便于控制产品外形尺寸。(2)PZT压电瓷料的合成过程分析压电瓷料的合成过程是理解与制定预烧工艺的基础。对于PZT瓷料的合成过程，人们通过差热分析、化学分析、X射线分析等手段获得的结果见图14所示。图14PZT形成的差热曲线图15PZT合成时各相的变化由图14中以Pb3O4为原料的差热曲线可知：①