Как производят пьезокерамику? От шихты до готового изделия
Технология производства пьезокерамики объективно сложна, но наша задача — объяснить её просто и без потери инженерной точности.
Пьезокерамику выпускают в контролируемых условиях на специализированном оборудовании. Процесс и состав оборудования широкой публике обычно не известны. Из этой статьи вы узнаете:
- рецептуру пьезокерамики;
- полную технологическую цепочку производства;
- перечень необходимого оборудования;
- признаки качественного производителя пьезокерамики;
- рекомендации по выбору завода.
1. Рецептура пьезокерамики – основа основ
Керамическая шихта (смесь сырьевых компонентов) – это фундамент для получения пьезокерамики. Для классического материала ЦТС (PZT) основные компоненты: Pb₃O₄, ZrO₂ и TiO₂. При выборе сырья учитывают два фактора: химический состав и физическое состояние.
Требования к чистоте сырья должна быть умеренной.
- Слишком высокая чистота → дорого, требует высоких температур спекания.
- Низкая чистота (много примесей) → снижает температуру спекания, но ухудшает свойства.
В рецептуре ЦТС массовая доля основных компонентов:
- Pb₃O₄ — около 60%
- ZrO₂ — около 20%
- TiO₂ — около 18%
Суммарное содержание примесей не должно превышать 2%, то есть чистота исходных порошков – выше 98%.
Для разных задач нужны разные свойства, поэтому вводят легирующие добавки (ионы замещения) вместо Pb²⁺ (A-позиция) или вместо Zr⁴⁺/Ti⁴⁺ (B-позиция). Это позволяет направленно улучшать характеристики материала.
Современные требования к пьезокерамике постоянно растут. Именно поэтому активно исследуют и применяют модифицированные пьезокерамические материалы на основе тройной системы ЦТС (PZT-based ternary system).
2. Технологический процесс производства пьезокерамики
Производство пьезокерамики включает несколько ключевых переделов: синтез порошка, формование, спекание, нанесение электродов и поляризацию. На каждом этапе происходят физико-химические превращения. Конечные характеристики напрямую зависят от состава и параметров каждого этапа. Поэтому стабильные и обоснованные режимы — главное условие получения качественной пьезокерамики.
2.1 Приготовление полуфабриката (зеленой заготовки)
Формование заготовок ведут методом сухого прессования. Перед прессованием порошок обязательно гранулируют: добавляют связующее (около 5% от массы шихты), тщательно перемешивают, просеивают. Затем предварительно спрессованную массу измельчают и снова просеивают до мелкой фракции. Цель грануляции — равномерно распределить связку в объеме порошка, уплотнить сами частицы, удалить лишний воздух. Это облегчает формование и обеспечивает равномерную плотность заготовок.
2.2 Спекание керамики и механообработка
После сухого прессования заготовку обжигают при высокой температуре — это и есть спекание. Суть процесса: перегруппировка частиц, рост плотности и кристаллов.
- Перегрев → неравномерный рост кристаллов и неоднородная структура.
- Недогрев → кристаллы не успевают сформироваться полностью.
Оба дефекта ухудшают пьезосвойства элемента из PZT (ЦТС).
2.3 Нанесение электродов
Чтобы керамический элемент проводил ток и проявлял пьезоэффект, на его поверхности нужны металлические электроды. Традиционные методы: вжигание серебряной пасты, вакуумное напыление, химическое серебрение или меднение.
2.4 Поляризация пьезокерамики
После нанесения электродов элемент поляризуют, чтобы «включился» пьезоэффект. Для качественной поляризации важно верно подобрать три параметра:
- напряженность поляризующего поля;
- температуру поляризации;
- время поляризации.
Только под действием поля электрические домены ориентируются и выстраиваются вдоль линий поля. Чем выше напряженность поля, тем эффективнее ориентация доменов и совершеннее поляризация.
2.5 Сводная таблица этапов производства пьезокерамики
Технологический переход | Назначение операции |
|---|---|
Дозирование (приготовление шихты) | Предварительная обработка сырья: удаление примесей, сушка, точное взвешивание компонентов по рецептуре |
Смешивание и помол | Сухой или мокрый помол (для мелких партий — сухой, для крупных — высокоэффективный аттритор или струйная мельница). Цель: смешать и размолоть компоненты, подготовить их к твердофазной реакции |
Предварительный обжиг (синтез) | Высокотемпературная твердофазная реакция с образованием пьезокерамического материала. Критически важный этап, влияющий на условия спекания и финальные свойства |
Вторичный помол | Тонкое виброизмельчение, смешивание и гомогенизация предварительно обожженного порошка. Основа для стабильности свойств готовой керамики |
Грануляция | Равномерное распределение связующего, выравнивание плотности заготовок, удаление воздуха между частицами — всё для лучшего формования и уплотнения |
Формование заготовки | Процесс уплотнения порошка, при котором заготовка приобретает прочность, а её объём уменьшается |
Удаление связующего (пластификатора) | Предотвращает деформацию и растрескивание заготовки при высокотемпературном спекании из-за разложения и газовыделения |
Спекание (обжиг до керамики) | Нагрев заготовки до высокой температуры (ниже точки плавления) для усадки, уплотнения и набора прочности |
Механическая обработка формы | Шлифовка и доводка обожженного изделия до точных размеров по чертежу |
Металлизация (нанесение электродов) | Создание верхнего токопроводящего электрода на требуемой поверхности керамики. Методы: вжигание серебра, химосаждение, вакуумное напыление |
Высоковольтная поляризация | Ориентация доменов внутри керамики для появления пьезоэлектрических свойств |
Контрольное старение (испытания) | После стабилизации свойств керамики проверяют все параметры на соответствие заданным требованиям |
3. Оборудование для производства пьезокерамики
В технологической цепочке используется широкий спектр установок: шаровые мельницы, смесители, прессы, шлифовальные станки, печи для спекания, устройства для нанесения электродов. Каждая позиция критична.
Для отдельных операций могут также требоваться: автоматические ленточные питатели, оборудование для резки конденсаторов и изостатические прессы с водяным контуром.
4. Признаки отличного производителя пьезокерамики
Технический специалист при выборе поставщика обращает внимание на следующее:
- наличие собственных, уникальных керамических рецептур;
- готовность к изготовлению пьезокерамики на заказ;
- полный замкнутый цикл производства;
- собственный действующий цех, а не сторонний субподряд;
- способность быстро и по существу решать технологические проблемы клиента.