基于壓電陶瓷優化工藝的設計

王國章，李小龍，黃文軍，張俊霞

（榆林學院，能源工程學院， 陜西 榆林 719000）

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基于壓電陶瓷優化工藝的設計

王國章，李小龍，黃文軍，張俊霞

（榆林學院，能源工程學院， 陜西 榆林 719000）

摘 要：壓電陶瓷是將機械能與電能進行轉化的關鍵材料，已經應用到了軍事、醫學、電子信息、汽車工業等多個領域，但是含鉛陶瓷有危害性。。通過實驗，結果發現鉛含量對壓電性能影響可以實現優化。這一研究對于國家環保材料的發展有一定的參考價值。

關 鍵 詞：壓電陶瓷；工藝優化；鉛含量；壓電性能

壓電陶瓷是將機械能與電能進行轉化的關鍵材料，當前已經應用到了軍事、醫學、電子信息、汽車工業等多個領域［1-3］。顯然壓電陶瓷的相關工藝與技術的發展，必然給國民經濟帶來顯著的變化［4，5］。就當前市場和各行各業的應用中最常見的是Pb（Zr、Ti）O3（PZT）系列的壓電陶瓷材料，這是因為PZT是壓電陶瓷應用中壓電性能最好的一種。與此同時PZT還能采用一些摻雜改性的方法優化性能滿足不同的需要［6-7］。然而。隨著人們環保理念的不斷發展，PZT中PbO占比超過一半以上，且PbO是一類有毒材料，人一旦吸收就可能出現鉛聚焦，導致鉛中毒，其后果不堪設想。不僅如此，工業生產中出現的廢棄物必然會造成環境的危害，以食物鏈的形式不斷危害各類生物［8-11］。國外，歐美在本世紀初提出新生產電子類材料不能含有鉛。然而壓電陶瓷，由于PZT的無可替代性，國外也只能將其列為禁止之外。隨著社會科技的不斷發展，很多學者進行了無鉛材料的探索［12-14］。本文基于這一背景，從優化鉛含量角度對陶瓷進行了改性工藝的研究，這一研究對于國家環保材料的發展有一定的參考價值。

1 PZT的材料的內部結構

通過現代儀器的發展，我們知道PZT是由一些無規則的顆粒晶體構成，如圖1所示。圖2則為每個晶格的結構。

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

2 實驗過程

本次實驗我們是微觀結構角度進行陶瓷的工藝優化。

2.1 本次實驗的化學試劑

表1所列的化學試劑都是采用分析純的級別，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 本次實驗的化學試劑Table 1 The experiments of chemical reagents

圖2 晶格的示意圖Fig.2 Lattice diagram

2.2 本次的實驗儀器

制備過程使用的實驗設備信息見表2。

表2 優化工藝的實驗設備Table 2 Optimization of process of laboratory equipment

2.3 實驗樣品的制備過程

本次實驗的指標流程如圖3所示。

圖3 制備流程Fig.3 Preparation process

3 實驗結果分析

本次實驗測定的樣品極化電壓的結果，如表3所示。相應的介電常數特性譜如圖4所示。

圖4 PZT樣品的壓電系數與漏電流隨鉛含量的關系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）表現為波動的變化，但是是不斷增大的趨勢，然而其對壓電系數（d33）的影響開始不大。盡管有一定的波動。上述結果表明采用無鉛壓電陶瓷的設想是可行的。

表3 實驗測得的PZT極化電壓Table 3 The experimental measured PZT polarization voltage

4 結 語

隨著壓電陶瓷應用領域的不斷擴大，壓電陶瓷作為一種精密驅動器件，其自身的性能日益受到使用者的關注。無鉛壓電陶瓷的研究和開發是當前壓電材料領域的研究熱點之一，文中基于當前壓電陶瓷的發展，進行的改性實驗佐證顯然符合當前發展趨勢。

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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：TB 383.1

文獻標識碼：A

文章編號：1671-0460（2016）02-0318-02

基金項目：國家自然科學基金項目（No. 51406176）和榆林市科技計劃項目（No.2014cxy-05）資助

收稿日期：2015-10-28

作者簡介：王國章（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。