压电陶瓷低温烧结的研究进展

吴木义 （合肥学院化学与材料工程系 230022）

压电陶瓷低温烧结的研究进展

吴木义 （合肥学院化学与材料工程系 230022）

综述了压电陶瓷低温烧结研究的必要性以及目前压电陶瓷低温烧结所采用的主要方法。

压电陶瓷；低温；方法

引言

压电陶瓷的发现与发展已有50 余年，是一类极为重要的国际竞争激烈的高技术新型功能材料，作为传感器、蜂鸣器、激励器等在电子学、微机电学等诸多高科技领域得到广泛应用，遍及社会生活的各个角落。随着科学技术的飞速发展，对压电陶瓷的性能也有了更高的要求[1]。

1 .压电陶瓷低温烧结研究的必要性

目前，在压电陶瓷应用领域占主导地位的是以PbTiO3-PbZrO3(PZT) 为基的二元系、三元系陶瓷。这种传统压电陶瓷的烧结温度一般都在1200～1300℃左右。另外，由于在高温烧结时铅的严重挥发，导致材料的化学计量比偏离原先所设计的配方，使其电性能下降，同时挥发出有毒的铅污染环境，损害人类的健康和生活环境。目前常用的烧结方法主要有密封烧结法、埋烧法、气氛法、过量PbO法，但这些方法主要是为了确保配方中的化学计量比不变，并不能从根本上解决铅的挥发。因此抑制铅挥发积极而有效的方法是实现压电陶瓷的低温烧结。日本学者Saito等[2]在Nature杂志上报道成功制备了一种新型的KNN陶瓷，这种陶瓷的性能通过后来科研工作者的掺杂改性已经达到甚至在某些方面超出了目前得到广泛应用的高性能PZT陶瓷。然而，KNN压电陶瓷有一个很大的缺点，难以采用传统陶瓷工艺制备致密性良好且性能优异的陶瓷体。这主要是由于以下两个方面的原因：(一) KNN陶瓷的相稳定性被限制在1140℃，超过1140℃，KNN陶瓷将不能以固态形式存在。因此，烧结温度不宜过高，这就阻碍了KNN陶瓷的致密化。(二)由于在烧结过程中碱土元素的挥发，使化学计量比发生偏离，产生另外一种杂质相，这种物质遇到潮湿的环境，非常容易发生潮解。这些缺点都极大地限制了无铅压电陶瓷的应用。为了克服上述缺陷，国内外学者从添加第二组元、添加烧结助剂、改善制备工艺等方面对KNN无铅压电陶瓷作了大量研究[3]。

2.压电陶瓷低温烧结的发展状况

压电陶瓷的低温烧结技术的研究开始于1960年以后，通常都是从添加烧结助熔剂和改进工艺两方面来降低烧结温度的。自从20世纪80年代以后，国内外学者对压电陶瓷的低温烧结进行了广泛的研究。清华大学李龙土等在PZT二元系中添加助熔剂，研制出960℃低温烧结、具有良好性能的材料[4]。Q. Yin 等在KNN基陶瓷中添加烧结助熔剂，低温下制备了性能优良的无铅压电陶瓷材料[5]。另外，研究人员在改进工艺方面也进行了很多有益的探索，并取得了一定的成果。 H. Yamamura等采用多步化学共沉淀法分别合成的pbMg1/3Nb2/3O3可以在I000℃左右实现低温烧结[6]。

3.目前压电陶瓷低温烧结所采用的主要方法

3.1 采用添加助熔剂来降低烧结温度

在配料中添加助熔剂，通常有三种方式来减低其烧结温度[7,10]。第一种方式是通过形成固溶体来降低烧结温度。离子置换使晶格发生晶格畸变，增加了晶体内结构缺陷，降低电畴间的势垒，从而有利于离子扩散，促进烧结，但离子置换要在一定的条件下发生，所以降温幅度不大，一般在200℃以内；第二种方式通过形成液相烧结来降低烧结温度。液相烧结中的晶粒重排、强化接触可提高晶界迁移率，使气孔充分排除，促进晶粒发育，提高瓷体致密度，达到降低烧结温度的目的。但液相生成物一直保留在陶瓷结构中，所以容易导致压电、介电性能的下降；第三种方式是通过液相烧结来降低烧结温度并改善性能。低熔点添加物在烧结过程中先形成液相促进烧结，而到了烧结后结后期又作为最终相回吸入主晶相起掺杂改性作用。低熔点添加物的这种“双重效应”可使烧结温度降低250～300℃，同时提高材料的压电性能而且成本低、工艺简单，是目前实现压电陶瓷低温烧结较为理想的一种方法。

3.2 采用先驱体合成法来降低烧结温度

该方法的主要途径是采用化学制粉法来制备高比表面的高活性压电陶瓷粉体，由于粉体的表面能比较大，烧结的驱动力就大，从而使烧结温度得到降低，另外，通过强化细磨条件等工艺手段，也可以使粉体的活性增强，从而降低PZT压电陶瓷材料的烧结温度[8]。

3.3 采用热压法来降低烧结温度

热压法可增加陶瓷的烧结推动力，有利于气孔或空位从晶界扩散到陶瓷体外，从而提高瓷坯密度，降低烧结温度。采用热压烧结的PZT压电陶瓷材料，烧结温度降低了150～200℃，而且所得陶瓷材料结构更加致密，晶粒尺寸均匀，压电性能远优于传统烧结陶瓷。但由于热压烧结加热、冷却时间长，故生产效率低，成本高，而且烧结温度不能降得太低[9,11]。

3.4 采用微波烧结来降低烧结温度

微波烧结是一种材料烧结的新工艺，它是利用微波电磁场与陶瓷材料相互作用，材料通过介电损耗而被体积性加热至烧结温度，从而实现致密化。微波烧结已显示出一定优越性，但也存在一些不足。主要表现在容易出现不均匀加热现象或热失控。陶瓷体的烧结尺寸受限，对于工业化生产，还需要进一步的研究[11]。

4.小结

二十世纪九十年代以来，压电陶瓷元器件为了适应集成电路表面组装技术(SMT)的需要，正在向高性能、微型化、集成化、轻量化方向发展，而开发低温烧结压电陶瓷材料是发展高性能、高可靠性、低成本陶瓷叠层复合体的重要研究方向。综上所述，实现压电陶瓷低温烧结，在抑制铅的挥发、保证材料性能、减轻环境污染、延长设备使用寿命等方面将发挥重要的意义。

[1]肖定全. 关于无铅压电陶瓷及其应用的几个问题[J], 电子元件与材料. 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] 赁敦敏, 肖定全, 朱建国等. 铌酸盐系无铅压电陶瓷的研究与进展---无铅压电陶瓷20 年专利分析之四[J]. 功能材料.2003, 34(6):615-618.

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[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] 马元, 沈建兴, 闫春蕾. PZT 压电陶瓷液相低温烧结技术的研究进展[J]. 山东轻工业学 院学报. 2008, 22(4):15-18.

[8] 于进杰, 黄志瑛, 魏霞. 压电陶瓷低温烧结的基本方法探讨[J]. 广西轻工业. 2008,12:60.

[9] 付剑, 李承恩, 赵梅瑜等. 低温烧结PZT压电陶瓷研究进展[J]. 材料导报. 2000,14(l):38.

[10] 朱宏亮. 低温烧结PZT-PbO-WO3压电陶瓷性能研究[D]. 天津大学. 2005.

[11] 陈丰, 杨世源, 王军霞等. 关于PZT压电陶瓷低温活化烧结的研究进展[J].

材料导报.2007, 21 (2):26-29.

10.3969/j.issn.1001-8972.2010.10.062

吴木义(1987-) , 安徽芜湖人, 本科。