超聲換能壓電陶瓷粉體加工研究

蔡曉峰+黃寶坤

摘 要：本文通過對比不同的粉碎工藝、噴霧干燥條件和干壓成形坯體質量，研究了壓電陶瓷合成料的粉體制備工藝對其綜合性能的影響，得到較好的壓電陶瓷粉體制備技術。

關健詞：粉體加工；壓電陶瓷；超聲換能

1 引言

壓電陶瓷是電子功能陶瓷中的一大類材料，它的基本特性是能進行電能與機械能的相互轉換，可制成無線電元件、電聲元件、超聲換能元件、引燃引爆元件等，具有十分廣泛的應用領域。

常用的壓電陶瓷有鈦酸鋇系、鋯鈦酸鉛二元系及在二元系中添加第三種ABO3（A表示二價金屬離子，B表示四價金屬離子或幾種離子總和為正四價）型化合物，如：Pb（Mn1/3Nb2/3）O3和Pb（Co1/3Nb2/3）O3等組成的三元系。如果在三元系統上再加入第四種或更多的化合物，可組成四元系或多元系壓電陶瓷。

壓電陶瓷的主要制備工序有：組成配料、預燒合成、粉體加工、成形、燒成、覆電極、極化、檢測等。在壓電陶瓷的生產中，每一道工序所用設備、工藝參數對最終產品質量都有很大影響。對粉體加工而言，合成料的粉碎顆粒度及其粒徑分布范圍對壓電陶瓷產品的綜合性能影響很大，通常，粉體粉碎粒徑小、顆粒分布范圍窄對壓電陶瓷產品性能有利。

許多壓電陶瓷超聲換能產品，如超聲波水聲探測、超聲波無損探傷、超聲波焊接、超聲波霧化等換能元件，都是采用干壓成形，成形所用的壓電陶瓷造粒粉體的填充性能對成形質量影響很大，理想的干壓成形粉體是松裝密度高、流動性好、得到的壓制坯體和燒成瓷體都具有較高的體積密度。

本文針對壓電陶瓷超聲霧化換能器生產中的粉體加工制備這一基礎環節進行研究，包括合成料的粉碎和干壓粉體的造粒，以期獲得良好的壓電陶瓷粉體制備技術和相應產品。

2 實驗條件

（1）本實驗的超聲換能壓電陶瓷是改性的Pb（Mn1/3Nb2/3）O3—PZT三元體系，粉體的合成采用神佳SJJ—17高溫箱式電爐。

（2）壓電陶瓷合成料采用KR—2球磨機、YQ300振磨機和派勒PHN0.5CE砂磨機三種工藝設備進行粉碎加工。

（3）壓電陶瓷粉體造粒采用大川原OPD—8T離心噴霧干燥機進行。

（4）粉體粒度和形貌檢測采用歐美克LS900激光粒度分析儀、廣光DV—300光學顯微鏡、荷蘭PROX電子顯微鏡。

（5）粉體的松裝密度、流動性采用自制裝置檢測，流動性用50 g粉體流出容器所用時間（s）來衡量，體積密度用阿基米德原理檢測，壓電陶瓷性能采用安捷倫4294A分析網絡儀檢測。

3 實驗及結果討論

3.1 不同粉碎設備對粉料粒徑及其分布的影響

（1）實驗方案

在球磨罐、振磨料斗和砂磨機料桶中分別放入3 kg壓電陶瓷合成料進行粉碎加工，全部采用濕法加工，每隔一段時間取樣，測其粒徑及其分布，對比粉料粒徑D50達到0.5 μm左右時三種設備加工所需的時間和加工后粉料的粒徑分布情況。

（2）過程數據（見表1）

（3）數據分析

由實驗結果可知，從粉碎效率和粒徑分布來看，振磨工藝要好于球磨工藝，砂磨工藝要明顯好于球磨和振磨工藝。這與粉碎所用的磨球尺寸和磨球的運動速度和能量有關。通常，磨球越小，研磨作用越大，粉碎越細，粒徑分布也越窄。實驗中，砂磨所用的氧化鋯球徑為1.5 mm（1.5 Kg），球磨和振磨所用氧化鋯球徑為20 mm、15 mm和8 mm混配（7.5 Kg），砂磨的研磨工作表面積要遠大于球磨和振磨。砂磨時磨球運轉速度為1800 rpm，振磨時磨球的振動速度為600 次/min，球磨時磨球運轉速度為65 rpm。因此，砂磨工藝粉碎效率最高，粉體顆粒最細，粒徑分布最窄，粉碎質量最好。

3.2 砂磨工藝對粉料粒徑及其分布的影響

（1）試驗方案

取粗粉碎后的壓電陶瓷合成粉體，檢測粗粉碎后的粉體粒度分布，記下D50，D90。

按粉 ： 水=68：32的比例化漿攪拌0.5 h，過120目篩網后進行粉碎（分散劑添加量為粉體質量的0.3%）；料漿循環砂磨一次需時大約5 min。

用滴管每隔5 min取3 ～ 4滴漿料進行粒度檢測，記下D50，D90；（樣品加20 ml水，超聲分散3 min），計算出粉碎粒徑變化與漿料過機循環圈數的關系。

（2）過程數據

（3）數據分析

從粉碎粒徑與循環圈數關系圖可以看出，粉體粒徑與粉碎循環圈數有關，隨著循環圈數的增加，粒徑不斷減小，當循環圈數≥12.8圈時，D90、D50變化不再明顯，呈現動態穩定。

從SEM圖片中可以看出，原料粒徑接近2 μm，循環12.8圈后在0.8 μm左右波動，與激光粒度測試結果相符。

由本次試驗結果可以看出，粉體粒徑與粉碎循環圈數有關，在粉碎最初時粒度減小明顯，當達到一定循環圈數后，顆粒細度達到極限，不再降低，因此，過度粉碎不僅增加能耗，降低產量，而且對顆粒分布帶來不良影響。

3.3 噴霧干燥工藝對粉體顆粒形狀、流動性和松裝密度的影響

3.3.1聚乙烯醇PVA含量對造粒形貌的影響

（1）試驗方案

取一定量的粉碎漿料，分別添加1.0 ～ 1.5%的PVA，PVA含量=PVA固體/（漿料+PVA溶液）；漿料固含量為65%，漿料固含量 = 干粉/（干粉+純水）；噴霧干燥造粒條件：進風口溫度230℃；出風口溫度110℃；轉速11000 r/min。

用光學顯微鏡觀查噴霧造粒的顆粒形貌，并進行形貌對比。

（2）過程數據

（3）數據分析

從形貌圖片可以看出，PVA含量對粉體形貌有一定影響，隨著PVA含量的增加，噴霧顆粒尺寸略有增大，當PVA固含量達到1.5%時，粉體顆粒開始出現明顯的窩頭狀（球型結構出現凹陷）。

3.3.2漿料固含量對造粒粉體松裝密度、流動性的影響

（1）試驗方案

制備三種壓電陶瓷漿料，漿料固含量分別為50%、55%、60%，PVA含量為1.2%。

噴霧造粒條件：進風口溫度230℃；出風口溫度110℃；轉速11000 r/min。

對比造粒后粉體松裝密度、流出時間（s，50g粉體）。

（2）過程數據

（3）數據分析

粉體的松裝密度決定壓制成形的壓縮比，松裝密度高，壓制時排氣量小，則壓縮比小。粉體流動性決定粉體在模具中的填充性，流動性好，有利于模具填料和成形。從實驗數據可以看出，漿料固含量對松裝密度、流動性有一定影響；固含量高，松裝密度低，流動性好。固含量低，噴霧干燥時，相同時間內進水多、進料量少，造粒后粉體粒徑偏小，松裝密度偏大，粉體流動性差。

3.3.3進風口溫度對造粒松裝密度、流動性的影響

（1）實驗方案

取55%固含量的壓電陶瓷粉體漿料，進風口溫度210℃、230℃、250℃，出風口溫度110℃。PVA含量為1.2%。轉速11000 r/min。

對比噴霧造粒后粉體的松裝密度、流出時間（s）。

采用光學顯微鏡觀查噴霧造粒粉體的形貌。

（2）過程數據

（3）數據分析

從實驗結果可以看出，進風口溫度對粉體粒徑和填充性能有一定影響，進風口溫度低（210℃）時，所得造粒粉體偏細，并且有破碎等粉體形貌出現，粉體含水率偏高，流動性較差。進風口溫度高（250℃）時，所得造粒粉體顆粒較大，呈較規整的球狀，粉體含水率低，流動性較好。進風口溫度的選定，必須與進料速度相匹配，進料速度高，進風口溫度應相應偏高。

3.3.4霧化頭轉速對噴霧造粒粉體松裝密度、流動性的影響

（1）實驗方案

取55%固含量的壓電陶瓷漿料，進風口溫度230℃，出風口溫度110℃，PVA含量為1.2%。霧化頭轉速取9000 r/min、11000 r/min、13000 r/min。

對比噴霧造粒所得粉體的松裝密度、流出時間（s）。采用光學顯微鏡觀查噴霧造粒粉體的形貌。

（2）過程數據

（3）數據分析

從實驗結果看出，霧化頭轉速會影響粉體的粒徑和填充性能。轉速過高（13000 r/min），粒徑較細，造粒粉體中細顆粒所占比例較大，所得造粒粉體松裝密度高，流動性差。轉速太低（9000 r/min），霧化漿料顆粒較大，干燥時容易形成窩頭狀顆粒，球形規整度差，松裝密度偏低，且粉體含水率偏高，降低造粒粉體的流動性。因此，不同的漿料，固含量不同，比重不同，要得到好的噴霧造粒粉料，所采用的霧化頭轉速是不同的。

3.4 造粒粉體粒徑對壓電陶瓷顯微結構的影響

（1）實驗方案

取一定質量造粒粉體按<60 μm，60～120 μm，<120 μm，三種粒徑進行粉體篩分，并對篩分后的粉體進行粉體填充性測試（松裝密度、流動性）

將三種粒徑粉體按相同的干壓條件（干壓密度5.40 ～ 5.45g/cm3）進行干壓，并用光學顯微鏡觀查對比干壓坯體的表面形貌。

在700℃進行排膠（保溫2 h），1280℃進行燒結（保溫2 h）。

取燒結后三種粒徑對應所得壓電陶瓷體進行燒結密度測量。對燒結后三種粒徑壓電陶瓷體用電子顯微鏡觀查對比瓷體內部的結構。

（2）過程數據

（3）數據分析

從以上實驗數據和顯微觀查結果來看，粒徑<60 μm的粉體的松裝密度最大，所壓制的坯體致密度相對也較高，但燒成后瓷體平均密度排列第二。粒徑<120 μm的粉體的松裝密度最小，流動性居中，但壓制后坯體致密度和燒成密度都相對最高。粒徑在60 ～ 120 μm的粉體的松裝密度和流動性都很好，但其壓制的坯體密度和燒成密度反而都相對最小，究其原因，是因為其粉體顆粒粒徑分部較窄，顆粒間孔隙沒有被細小顆粒填充，顆粒間存在的孔隙較大，壓制和燒成時不能完全排除這些大氣孔，造成燒成后瓷體密度相對最低。

因此，在干壓成形粉體的制備中，僅通過篩分來減小造粒粉體的粒徑分部范圍，提高其松裝密度和流動性，是片面的，還要綜合考慮壓制和燒成后陶瓷的致密度。因此，采用粒徑<120 μm的粉體來壓制成形為好，也就是在生產中將造粒粉體過一次120目篩來進行控制就好了。

4 結論

（1）壓電陶瓷合成料采用砂磨機粉碎，效率高，粉體顆粒細，粒徑分部范圍窄，更有利于改善壓電陶瓷的微觀組織結構，提高壓電陶瓷材料的機械性能和壓電介電性能，對超聲波霧化換能元件而言，可降低性能衰減速度達50%，明顯延長其使用壽命，由5000h延長至8000h。

（2） 在粉體噴霧干燥造粒中，PVA含量、進風口溫度對粉體的形貌有較大的影響，PVA含量過高容易破壞粉體的球型結構；進風口溫度過低顆粒容易破碎，造粒粉體流動性差，無法成形；漿料固含量、霧化頭轉速、進風口溫度對粉體粒徑有影響，固含量低、轉速過高、進風口溫度低都會造成造粒過程粉體粒徑偏細，粉體松裝密度變大，流動性變差。

（3） 松裝密度、流動性與造粒粉體粒徑有關，粒徑小，松裝密度大，但粉體流動性降低；松裝密度大的粉體，干壓時有利于形成致密性高的坯體，燒結后瓷體內部氣孔少、密度高。

（4）較好的壓電陶瓷粉體制備技術：合成料采用砂磨工藝加工，氧化鋯球徑1.5 mm，粒度控制D50=0.5 μm左右。壓電陶瓷噴霧漿料固含量55%，PVA含量1.2%，噴霧干燥進風口溫度250℃，霧化頭轉速11000 r/min，造粒粉體成形前過120目篩。