Оптимизация производства пьезокерамических изделий

Аннотация

А.И.Серокурова, Ю.С.Прилипко Оптимизация производства пьезокерамических изделий В данной работе рассмотрено влияние некоторых технологических факторов на электрофизические свойства пьезокерамики и предложены пути оптимизации технологии производства изделий.

Оптимизация производства пьезокерамических изделий

При резкой ограниченности земельных ресурсов и жестких нормативов охраны окружающей среды резко возросла потребность в материалах, из которых можно создавать изделия и устройства с заданными функциональными характеристиками и свойствами.

Пьезокерамические изделия находят широкое применение в разных областях народного хозяйства: в радиоэлектронной технике, бытовой технике, акустике, ультразвуковых преобразователях, пьезотрансформаторной технике, медицине и др. По мере расширения профиля использования ужесточаются требования к их служебным характеристикам, поэтому поиск путей интенсификации технологии изготовления является актуальной проблемой.

При производстве пьезокерамических изделий существует множество факторов, оказывающих влияние на качество керамики и электрофизические свойства пьезоэлементов. Их рассмотрение и оптимизация способствуют как повышению служебных характеристик, так и их воспроизводимости (риc. 1).

Рисунок 1 – Факторы, влияющие на свойства пьезокерамических изделий.

Специфической особенностью изделий ЦТС является наличие в составе оксида свинца, способного улетучиваться при спекании. Из существующих методов предохранения состава (спекание в платиновых тиглях, в никелевых стаканах, в шамотном капселе, в контейнере из титаната бария) наиболее рациональным является спекание в свинецсодержащих засыпках, представляющих собой смесь ZrO₂ и PbO. В работе исследовано влияние засыпки c содержанием 30 и 50 % масс. PbO. Показано, что уровень электрофизических свойств при использовании 30% засыпки существенно выше, чем при использовании 50%. К тому же она сравнительно легко отделяется от спеченной керамики. При этом способ упаковки изделий в засыпке также отражается на свойствах изделий. Показано, что присыпка изделий засыпкой, а не полное заполнение пакета улучшает электрофизические параметры, что можно объяснить трудностями диффузии О₂ к образцам.

Среди множества методов оформления полуфабриката (одноосное, гидростатическое, горячее, мундштучное прессование, горячее литье) выбрано одноосное прессование в прессформах и для сравнительного анализа всестороннее гидростатическое прессование. Анализ показывает, что метод всестороннего прессования значительно улучшает свойства пьезокерамических изделий: механическую добротность, пьезомодуль, коэффициент электромеханической связи. Однако, учитывая то обстоятельство, что одноосное прессование более производительно по сравнению с гидростатическим, предложены пути оптимизации технологии с его использованием. Сочетание холодного прессования в прессформах с последующим спеканием в кислородной среде позволяет нивелировать недостатки одноосного прессования и повысить свойства пьезокерамики на 12-15 %.

Определяющим фактором при выборе оптимальных условий спекания является наилучшее сочетание электрофизических свойств получаемых изделий. Показана корреляция между температурой спекания и микроструктурой пьезокерамики ЦТССт-3 в изучаемом интервале 1180-1260 °С, оптимальной температурой спекания выбрана 1240 °С. По мере уменьшения «сегнетожесткости» температура спекания увеличивается, так для керамики ЦТС_TБС–2 она составляет 1280°С, а для сегнетомягкой керамики ЦТС_TБС–1 – 1330 °С

Таким образом, варьируя только технологическими условиями изготовления пьезокерамики можно добиться улучшения свойств керамики в рамках постоянных составов.