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粉体粒度对陶瓷的影响

压电陶瓷是一种能够实现机械能和电能相互转换的功能陶瓷材料。与压电单晶材料相比,具有机电耦合系数高,压电性能可调节性好,化学性质稳定,易于制备且能制得各种形状、尺寸和任意极化方向的产品,价格低廉等优点,被广泛应用于卫星广播、电子设备、生物以及航空航天等高新技术领域。

 

然而,目前所使用的压电陶瓷体系主要是铅基压电陶瓷,这些陶瓷材料中PbO(或Pb3O4)的含量约占原料总质量的70%左右。由于PbO、Pb3O4等含铅化合物在高温时的挥发性,这些陶瓷在生产、使用及废弃过程中都会对人类健康和生态环境造成很大的危害。如果对含铅陶瓷器件回收实施无公害处理,所需成本也会很高。另一方面,PbO的挥发也会造成陶瓷的化学计量比偏离配方中的化学计量比,造成产品的一致性和重复性降低。因此,研制和开发对环境友好的无铅压电陶瓷成为一项紧迫且具有重大实用意义的课题。

 

无铅压电陶瓷,又被称为环境友好压电陶瓷,其直接表层含义指不含铅、又具有满意的高的压电性能的压电陶瓷材料。目前国内外研究的无铅压电陶瓷体系主要包括:BaTiO3基无铅压电陶瓷,(Bi0.5Na0.5)TiO3(BNT)基无铅压电陶瓷,铋层状结构无铅压电陶瓷及铌酸盐基无铅压电陶瓷(包括钙钛矿结构的碱金属铌酸盐和钨青铜结构铌酸盐)。

 

粉体粒度对3Y-TZP材料微观结构的影响:从两种材料的表面和断面的XRD图谱中可以看出,两种材料的原粉只有单一的t相氧化锆,无单斜(m)相氧化锆的衍射峰出现。而烧结后在表面(代表材料内部)只有微米粉烧结体出现了m相,纳米粉烧结体仍是全部由t相组成,这可能是微米粉烧结温度高,烧结后晶粒有异常长大,超过了相变临界晶粒尺寸,冷却时自发产生了少量相变;断面上两者均出现了m相氧化锆的衍射峰。通过计算得知:断裂时纳米颗粒烧结的试样较微米颗粒烧结的试样发生t-m相变的相变量大。SEM照片提示:纳米粉烧结试样的微观结构更为均匀、致密,颗粒分布范围窄;而微米粉烧结体有少量不规则小气孔,在微米颗粒的试样中出现了晶粒的异常长大现象,这是由于在这些颗粒周围存在的毛细孔阻碍正常晶粒的生长,原料粉中的较大颗粒将其吞并所致,这对微米颗粒的力学性能的提高会起一定的负面作用。在晶粒尺寸上,由于纳米粉原始颗粒小,加之烧结温度又低于微米粉,晶粒尺寸比微米粉烧结的材料小。


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