喷雾造粒工艺对PZT粉体特性及陶瓷微观结构与电性能的影响

摘要

PbZrO3-PbTiO3(PZT)二元系固溶体具有比BaTiO3更优的性能。在压电PZT体系中，各材料的居里点都比BaTiO3的高，并存在着与温度无关的准同型相界（MPB）。在准同型相界（MPB）附近的PZT压电陶瓷的机电耦合系数和机械因数都比BaTiO3的大，温度和时间的稳定性都要比BaTiO3的好。PZT经改性后，其压电性能还能提高，因此，在实际应用领域，改性后的PZT就成为了占优势的压电陶瓷。目前，为了满足各个领域对PZT陶瓷的性能要求，人们对PZT陶瓷的研究主要集中在配方的改进问题上，但是对于如何制备高质量的PZT粉体的研究并不多见。 因此，本文在水基PZT体系下，研究了浆料的分散特性，制备出高固相量低粘度的料浆。采用离心式喷雾造粒的方法，优化了喷雾造粒的工艺参数，制备出球形度良好、松装密度和流动性、成形性能俱佳的粉体，为制备出致密性高、性能良好的PZT陶瓷提供保障。采用传统的固相烧结技术制备PZT陶瓷，探讨了陶瓷的致密性与素坯的密度、烧结的最高温度之间的关系。通过对固相烧结工艺的优化，制备出致密度高，无表面气孔的压电陶瓷，明显提高PZT压电陶瓷器件的力学性能和压电性能。 采用添加高分子分散剂对细粉碎进行优化，以防止出现“逆研磨现象”，促进料浆的分散。PZT作为一种典型的瘠性材料，若无添加黏结剂将无法进行成型。故采用在PZT水基浆料添加黏结剂的方法，利用聚乙烯醇PVA的“液桥力”和“固桥力”的作用，对一次粒子进行“造粒”，形成二次粒子。实验过程中，发现在PZT水基浆料添加聚乙烯醇PVA后，浆料的粘度急剧下降，与前人研究结果相反，对此现象进行合理解释。 采用离心式喷雾造粒的方式对PZT水基料浆进行喷雾造粒，研究了喷雾造粒粉体的形貌、物理特性与成型的关系。通过对造粒工艺参数进行单一变量法研究，系统研究各个影响因素的影响权重。最终确认在料浆的固含量为65 wt%时，黏合剂PVA的添加量为0.7 wt%，粉体细粉碎的粒度D50≤0.5μm和D90≤0.8μm时，进出风口温度分别为220℃和120℃时，雾化盘转速12000 r/min时，喷雾造粒的PZT粉体和PZT原料粉相比，松装密度从原来的1.27 g/cm3提高到2.02 g/cm3，流动性从81 s/50g提高到27 s/50g，安息角从42°减少到28°，粉体的流动性和松装密度得到明显的提高。 针对喷雾干燥中出现的缺陷颗粒形貌，结合颗粒的成长机制，给出了其缺陷形貌形成的原因。通过SEM扫描电镜观察得出，当黏结剂的添加量为0 wt%时，颗粒形貌是规则的实心球；当添加不同量的黏结剂时，明显发现颗粒的形貌出现“苹果状”、“黏结状”等不规则形状。初步判断，黏结剂对颗粒的形貌影响权重系数最大。这些不良特征的粉体，容易在烧结的时候，在陶瓷片表面出现微小的气孔。其次，通过分析喷雾干燥过程中雾滴的干燥原理，判断出料浆的固含量对粉体颗粒的尺寸的影响系数最大，浆料固相量较高的，干燥后粉体颗粒的尺寸收缩较小。通过观察造粒粉体颗粒出现“夹心状”，初步判断雾滴在干燥室运动过程中，有明显包层长大现象。