王國(guó)章，李小龍，黃文軍，張俊霞

（榆林學(xué)院，能源工程學(xué)院， 陜西 榆林 719000）

?

基于壓電陶瓷優(yōu)化工藝的設(shè)計(jì)

王國(guó)章，李小龍，黃文軍，張俊霞

（榆林學(xué)院，能源工程學(xué)院， 陜西 榆林 719000）

摘 要：壓電陶瓷是將機(jī)械能與電能進(jìn)行轉(zhuǎn)化的關(guān)鍵材料，已經(jīng)應(yīng)用到了軍事、醫(yī)學(xué)、電子信息、汽車工業(yè)等多個(gè)領(lǐng)域，但是含鉛陶瓷有危害性。。通過(guò)實(shí)驗(yàn)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)鉛含量對(duì)壓電性能影響可以實(shí)現(xiàn)優(yōu)化。這一研究對(duì)于國(guó)家環(huán)保材料的發(fā)展有一定的參考價(jià)值。

關(guān) 鍵 詞：壓電陶瓷；工藝優(yōu)化；鉛含量；壓電性能

壓電陶瓷是將機(jī)械能與電能進(jìn)行轉(zhuǎn)化的關(guān)鍵材料，當(dāng)前已經(jīng)應(yīng)用到了軍事、醫(yī)學(xué)、電子信息、汽車工業(yè)等多個(gè)領(lǐng)域［1-3］。顯然壓電陶瓷的相關(guān)工藝與技術(shù)的發(fā)展，必然給國(guó)民經(jīng)濟(jì)帶來(lái)顯著的變化［4，5］。就當(dāng)前市場(chǎng)和各行各業(yè)的應(yīng)用中最常見的是Pb（Zr、Ti）O3（PZT）系列的壓電陶瓷材料，這是因?yàn)镻ZT是壓電陶瓷應(yīng)用中壓電性能最好的一種。與此同時(shí)PZT還能采用一些摻雜改性的方法優(yōu)化性能滿足不同的需要［6-7］。然而。隨著人們環(huán)保理念的不斷發(fā)展，PZT中PbO占比超過(guò)一半以上，且PbO是一類有毒材料，人一旦吸收就可能出現(xiàn)鉛聚焦，導(dǎo)致鉛中毒，其后果不堪設(shè)想。不僅如此，工業(yè)生產(chǎn)中出現(xiàn)的廢棄物必然會(huì)造成環(huán)境的危害，以食物鏈的形式不斷危害各類生物［8-11］。國(guó)外，歐美在本世紀(jì)初提出新生產(chǎn)電子類材料不能含有鉛。然而壓電陶瓷，由于PZT的無(wú)可替代性，國(guó)外也只能將其列為禁止之外。隨著社會(huì)科技的不斷發(fā)展，很多學(xué)者進(jìn)行了無(wú)鉛材料的探索［12-14］。本文基于這一背景，從優(yōu)化鉛含量角度對(duì)陶瓷進(jìn)行了改性工藝的研究，這一研究對(duì)于國(guó)家環(huán)保材料的發(fā)展有一定的參考價(jià)值。

1 PZT的材料的內(nèi)部結(jié)構(gòu)

通過(guò)現(xiàn)代儀器的發(fā)展，我們知道PZT是由一些無(wú)規(guī)則的顆粒晶體構(gòu)成，如圖1所示。圖2則為每個(gè)晶格的結(jié)構(gòu)。

圖1 PZT的SEM端面圖像Fig.1 PZT SEM face image

2 實(shí)驗(yàn)過(guò)程

本次實(shí)驗(yàn)我們是微觀結(jié)構(gòu)角度進(jìn)行陶瓷的工藝優(yōu)化。

2.1 本次實(shí)驗(yàn)的化學(xué)試劑

表1所列的化學(xué)試劑都是采用分析純的級(jí)別，從表中看出原材料的含量純度很高。這樣受干擾影響較小。

表1 本次實(shí)驗(yàn)的化學(xué)試劑Table 1 The experiments of chemical reagents

圖2 晶格的示意圖Fig.2 Lattice diagram

2.2 本次的實(shí)驗(yàn)儀器

制備過(guò)程使用的實(shí)驗(yàn)設(shè)備信息見表2。

表2 優(yōu)化工藝的實(shí)驗(yàn)設(shè)備Table 2 Optimization of process of laboratory equipment

2.3 實(shí)驗(yàn)樣品的制備過(guò)程

本次實(shí)驗(yàn)的指標(biāo)流程如圖3所示。

圖3 制備流程Fig.3 Preparation process

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

本次實(shí)驗(yàn)測(cè)定的樣品極化電壓的結(jié)果，如表3所示。相應(yīng)的介電常數(shù)特性譜如圖4所示。

圖4 PZT樣品的壓電系數(shù)與漏電流隨鉛含量的關(guān)系Fig.4 Samples of PZT piezoelectric coefficient and leakage current along with the lead

從圖4看出，隨著鉛含量的不斷增加，漏電流（i）表現(xiàn)為波動(dòng)的變化，但是是不斷增大的趨勢(shì)，然而其對(duì)壓電系數(shù)（d33）的影響開始不大。盡管有一定的波動(dòng)。上述結(jié)果表明采用無(wú)鉛壓電陶瓷的設(shè)想是可行的。

表3 實(shí)驗(yàn)測(cè)得的PZT極化電壓Table 3 The experimental measured PZT polarization voltage

4 結(jié) 語(yǔ)

隨著壓電陶瓷應(yīng)用領(lǐng)域的不斷擴(kuò)大，壓電陶瓷作為一種精密驅(qū)動(dòng)器件，其自身的性能日益受到使用者的關(guān)注。無(wú)鉛壓電陶瓷的研究和開發(fā)是當(dāng)前壓電材料領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一，文中基于當(dāng)前壓電陶瓷的發(fā)展，進(jìn)行的改性實(shí)驗(yàn)佐證顯然符合當(dāng)前發(fā)展趨勢(shì)。

參考文獻(xiàn)：

［1］劉泊，郭建英，孫永全. 壓電陶瓷微位移驅(qū)動(dòng)器建模與控制［J］. 光學(xué)精密工程，2013，06：1503-1509.

［2］賴志林，劉向東，耿潔，李黎. 壓電陶瓷執(zhí)行器遲滯的滑模逆補(bǔ)償控制［J］. 光學(xué)精密工程，2011，06：1281-1290.

［3］李曉娟，李全祿，謝妙霞，郝淑娟，楊貴考，周九茹，馬晴. 國(guó)內(nèi)外壓電陶瓷的新進(jìn)展及新應(yīng)用［J］. 硅酸鹽通報(bào)，2006，04：101-107.

［4］孟希敏，劉心宇，周昌榮. 無(wú)鉛壓電陶瓷的研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)［J］.電工材料，2006，03：40-44.

［5］杜紅亮，李智敏，周萬(wàn)城，屈紹波，裴志斌. （Na_（0.5）K_（0.5）NbO_3基無(wú)鉛壓電陶瓷的研究進(jìn)展［J］. 無(wú)機(jī)材料學(xué)報(bào)，2006，06：1281-1291.

［6］文海，王曉慧，趙巍，王浩，李龍土，桂治輪. 高溫壓電陶瓷研究進(jìn)展［J］.硅酸鹽學(xué)報(bào)，2006，11：1367-1373.

［7］肖定全. 鈣鈦礦型無(wú)鉛壓電陶瓷研究進(jìn)展及今后發(fā)展思考［J］. 人工晶體學(xué)報(bào)，2012，S1：58-67.

［8］賃敦敏，肖定全，朱建國(guó)，余萍，鄢洪建. 從發(fā)明專利看無(wú)鉛壓電陶瓷的研究與發(fā)展——無(wú)鉛壓電陶瓷20年發(fā)明專利分析之一［J］. 功能材料，2003，03：250-253.

［9］賃敦敏，肖定全，朱建國(guó)，余萍，鄢洪建. 鉍層狀結(jié)構(gòu)無(wú)鉛壓電陶瓷的研究與進(jìn)展——無(wú)鉛壓電陶瓷20年發(fā)明專利分析之三［J］. 功能材料，2003，05：491-495.

［10］賃敦敏，肖定全，朱建國(guó)，余萍，鄢洪建. 無(wú)鉛壓電陶瓷研究開發(fā)進(jìn)展［J］. 壓電與聲光，2003，02：127-132.

［11］張濤，孫立寧，蔡鶴皋. 壓電陶瓷基本特性研究［J］. 光學(xué)精密工程，1998，05：28-34.

［12］杜紅亮，張孟，蘇曉磊，周萬(wàn)城，裴志斌，屈紹波. 壓電陶瓷晶粒取向生長(zhǎng)技術(shù)的研究進(jìn)展［J］. 無(wú)機(jī)材料學(xué)報(bào)，2008，01：1-7.

［13］黨選舉. 壓電陶瓷執(zhí)行器的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)自適應(yīng)逆控制［J］. 光學(xué)精密工程，2008，07：1266-1272.

［14］李環(huán)亭，孫曉紅，陳志偉. 壓電陶瓷材料的研究進(jìn)展與發(fā)展趨勢(shì)［J］.現(xiàn)代技術(shù)陶瓷，2009，02：28-32.

Optimization of Process Design of Piezoelectric Ceramics

WANG Guo-zhang， LI Xiao-long， HUANG Wen-jun， ZHANG Jun-xia
（Institute of Energy Engineering， Yulin University ， Shaanxi Yulin 719000，China）

Abstract:Piezoelectric ceramic is a key material to convert mechanical energy into electric energy； it has been applied to military， medicine， electronic information， automobile and other fields. But the leaded ceramic is harmful. In this paper， the experiment found that effect of lead content on piezoelectric properties could be optimized. The result has certain reference value for development of national environmental protection material.

Key words:Piezoelectric ceramic； Process optimization； Lead； Piezoelectric properties

中圖分類號(hào)：TB 383.1

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1671-0460（2016）02-0318-02

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（No. 51406176）和榆林市科技計(jì)劃項(xiàng)目（No.2014cxy-05）資助

收稿日期：2015-10-28

作者簡(jiǎn)介：王國(guó)章（1982-），男，陜西榆林人，講師，碩士，研究方向材料工程方向。E-mail：xuyunfei902@163.com。