壓電陶瓷低溫燒結的研究進展

吳木義 （合肥學院化學與材料工程系 230022）

壓電陶瓷低溫燒結的研究進展

吳木義 （合肥學院化學與材料工程系 230022）

綜述了壓電陶瓷低溫燒結研究的必要性以及目前壓電陶瓷低溫燒結所采用的主要方法。

壓電陶瓷；低溫；方法

引言

壓電陶瓷的發現與發展已有50 余年，是一類極為重要的國際競爭激烈的高技術新型功能材料，作為傳感器、蜂鳴器、激勵器等在電子學、微機電學等諸多高科技領域得到廣泛應用，遍及社會生活的各個角落。隨著科學技術的飛速發展，對壓電陶瓷的性能也有了更高的要求[1]。

1 .壓電陶瓷低溫燒結研究的必要性

目前，在壓電陶瓷應用領域占主導地位的是以PbTiO3-PbZrO3(PZT) 為基的二元系、三元系陶瓷。這種傳統壓電陶瓷的燒結溫度一般都在1200～1300℃左右。另外，由于在高溫燒結時鉛的嚴重揮發，導致材料的化學計量比偏離原先所設計的配方，使其電性能下降，同時揮發出有毒的鉛污染環境，損害人類的健康和生活環境。目前常用的燒結方法主要有密封燒結法、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計量比不變，并不能從根本上解決鉛的揮發。因此抑制鉛揮發積極而有效的方法是實現壓電陶瓷的低溫燒結。日本學者Saito等[2]在Nature雜志上報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達到甚至在某些方面超出了目前得到廣泛應用的高性能PZT陶瓷。然而，KNN壓電陶瓷有一個很大的缺點，難以采用傳統陶瓷工藝制備致密性良好且性能優異的陶瓷體。這主要是由于以下兩個方面的原因：(一) KNN陶瓷的相穩定性被限制在1140℃，超過1140℃，KNN陶瓷將不能以固態形式存在。因此，燒結溫度不宜過高，這就阻礙了KNN陶瓷的致密化。(二)由于在燒結過程中堿土元素的揮發，使化學計量比發生偏離，產生另外一種雜質相，這種物質遇到潮濕的環境，非常容易發生潮解。這些缺點都極大地限制了無鉛壓電陶瓷的應用。為了克服上述缺陷，國內外學者從添加第二組元、添加燒結助劑、改善制備工藝等方面對KNN無鉛壓電陶瓷作了大量研究[3]。

2.壓電陶瓷低溫燒結的發展狀況

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

3.目前壓電陶瓷低溫燒結所采用的主要方法

3.1 采用添加助熔劑來降低燒結溫度

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

3.2 采用先驅體合成法來降低燒結溫度

該方法的主要途徑是采用化學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，燒結的驅動力就大，從而使燒結溫度得到降低，另外，通過強化細磨條件等工藝手段，也可以使粉體的活性增強，從而降低PZT壓電陶瓷材料的燒結溫度[8]。

3.3 采用熱壓法來降低燒結溫度

熱壓法可增加陶瓷的燒結推動力，有利于氣孔或空位從晶界擴散到陶瓷體外，從而提高瓷坯密度，降低燒結溫度。采用熱壓燒結的PZT壓電陶瓷材料，燒結溫度降低了150～200℃，而且所得陶瓷材料結構更加致密，晶粒尺寸均勻，壓電性能遠優于傳統燒結陶瓷。但由于熱壓燒結加熱、冷卻時間長，故生產效率低，成本高，而且燒結溫度不能降得太低[9,11]。

3.4 采用微波燒結來降低燒結溫度

微波燒結是一種材料燒結的新工藝，它是利用微波電磁場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溫度，從而實現致密化。微波燒結已顯示出一定優越性，但也存在一些不足。主要表現在容易出現不均勻加熱現象或熱失控。陶瓷體的燒結尺寸受限，對于工業化生產，還需要進一步的研究[11]。

4.小結

二十世紀九十年代以來，壓電陶瓷元器件為了適應集成電路表面組裝技術(SMT)的需要，正在向高性能、微型化、集成化、輕量化方向發展，而開發低溫燒結壓電陶瓷材料是發展高性能、高可靠性、低成本陶瓷疊層復合體的重要研究方向。綜上所述，實現壓電陶瓷低溫燒結，在抑制鉛的揮發、保證材料性能、減輕環境污染、延長設備使用壽命等方面將發揮重要的意義。

[1]肖定全. 關于無鉛壓電陶瓷及其應用的幾個問題[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. 低溫燒結PZT壓電陶瓷的研究[J]. 清華大學學報(自然科學版).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 壓電陶瓷液相低溫燒結技術的研究進展[J]. 山東輕工業學 院學報. 2008, 22(4):15-18.

[8] 于進杰, 黃志瑛, 魏霞. 壓電陶瓷低溫燒結的基本方法探討[J]. 廣西輕工業. 2008,12:60.

[9] 付劍, 李承恩, 趙梅瑜等. 低溫燒結PZT壓電陶瓷研究進展[J]. 材料導報. 2000,14(l):38.

[10] 朱宏亮. 低溫燒結PZT-PbO-WO3壓電陶瓷性能研究[D]. 天津大學. 2005.

[11] 陳豐, 楊世源, 王軍霞等. 關于PZT壓電陶瓷低溫活化燒結的研究進展[J].

材料導報.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。