具有极化功能的压电陶瓷烧结炉及其烧结极化的方法

摘要

本发明涉及陶瓷材料制造领域，特别涉及一种具有极化功能的压电陶瓷烧结炉及其烧结极化的方法，所述烧结炉包括由耐火砖构成的炉体，还包括高压极化系统，所述炉体内部设置上下平行的若干加热棒，所述加热棒贯穿于耐火砖内部；靠近所述加热棒设置相对的两个电极板，所述电极板镶嵌于所述耐火砖的表面上，两个电极板之间形成热电偶；所述的两个电极板之间设置由两个横向的耐热板和两个竖向的耐火砖组成的样品间；所述电极板通过电极引线与炉体外部高压极化系统连接，所述高压极化系统用于控制电极板的极化电场，所述控温系统用于控制炉体温度。本发明把压电陶瓷制备工艺中的烧结过程和极化过程合二为一，利用烧结后的余温进行高温极化，节约能耗和时间。

说明书

技术领域

本发明涉及陶瓷材料制造领域，特别涉及一种具有极化功能的压电陶瓷烧结炉及其烧结极化的方法。

背景技术

压电陶瓷是一种能够将机械能和电能互相转换的功能陶瓷材料，是属于功能陶瓷材料的一种，也属于无机非金属材料。压电陶瓷利用其材料在机械应力作用下，引起内部正负电荷中心相对位移而发生极化，导致材料两端表面出现符号相反的束缚电荷即压电效应而制作，具有敏感的特性，压电陶瓷主要用于制造超声换能器、水声换能器、电声换能器、陶瓷滤波器、陶瓷变压器、陶瓷鉴频器、高压发生器、红外探测器、声表面波器件、电光器件、引燃引爆装置和压电陀螺等，除了用于高科技领域，它更多的是在日常生活中为人们服务。

 目前，现有的压电陶瓷的制造工艺包括：配料--混合磨细--预烧--二次磨细--造粒--成型--排塑--烧结--被电极--高压极化--老化测试。

    烧结工艺，通常指在高温下，粉粒复合体（坏体）面积减少、气孔率降低、致密度提高、颗粒间接触面积加大、机械强度提高的过程。除普通高温烧结外，还有热压烧结、热等静压烧结、等离子体烧结等方法。

极化工艺，使陶瓷内部电畴定向排列，从而使陶瓷具有压电性能。通常的极化工艺是把压电陶瓷样品在硅油中加热到120度左右，在电极间施加3.0kV/mm-5.0kV/mm的直流电场，维持15-20分钟。

被电极工艺，在要求的陶瓷表面设置上导电电极。一般方法有银层烧渗、化学沉积和真空镀膜。化学沉积和真空镀膜技术要求较高，银层烧渗技术较简单，目前也出现了使用铝（专利号200910192539）或者锡（专利号CN 200610031852）代替银的方法，以及免烧银浆，可免去烧银的过程。

现有技术的缺点是，烧结过程和极化过程是分离的，烧结结束后，烧结炉内的余温没有利用，这是对能耗的一种浪费。另外，压电陶瓷烧结结束后再进行高温极化方法，则需要重新加热到居里温度附近，即浪费电能又浪费时间。

发明内容

本发明针对现有技术中的不足，提供一种具有极化功能的压电陶瓷烧结炉及其烧结极化的方法。

本发明采取高温极化的原理，压电陶瓷在降温到达居里点时，发生顺电-铁电相变，同时出现自发极化。高温极化方法就是在铁电相形成的萌芽状态前就加上电场，使顺电－铁电相变外在外加定向电场的作用下进行，电畴一出现就有较高的择优取向。另外，在高温时，铁电相的c/a轴比较小，电畴作90度转向不致受到很大的阻力，畴壁运动较易，故只要很低的电场，就可以得到低温时高电场的极化效果。所述电畴：晶体存在自发极化这一性能且有着自发取向是一样的一部分区域，这些区域称为电畴。

本发明采取的技术方案是：

一种具有极化功能的压电陶瓷烧结炉，包括由耐火砖构成的炉体，还包括高压极化系统，所述炉体内部设置上下平行的若干加热棒，所述加热棒贯穿于耐火砖内部；靠近所述加热棒设置相对的两个电极板，所述电极板镶嵌于所述耐火砖的表面上，两个电极板之间形成热电偶；所述的两个电极板之间设置由两个横向的耐热板和两个竖向的耐火砖组成的样品间；所述电极板通过电极引线与炉体外部高压极化系统连接，所述高压极化系统用于控制电极板的极化电场及控制炉体温度。

所述高压极化系统包括高压极化电路、温控电路、保护电路及时间继电器。

本发明公开的烧结炉可以实现烧结结束后，直接在烧结炉内利用余温进行高温极化，此过程使用较低的直流电压即可完成。

以上方案的基础上，所述的上下平行的加热棒，下加热棒贯穿于耐火砖内部。

以上方案的基础上，所述的上下平行的加热棒，上加热棒数量为下加热棒数量的2倍。

由于炉膛底部用于放置压电陶瓷样品，加热棒不能裸露于炉膛，应置于耐火砖中，而上部的加热棒可以裸露于炉膛顶部，加热效果更好，所以通常采用上部数量为下部数量的2倍以增强加热效果。

以上方案的基础上，所述的电极板为耐1400℃的金属板，所述金属板上镀有银、金或铂的保护层。

以上方案的基础上，所述的耐火板为氧化铝高温耐热板。

本发明使用的金属板可以是任意一种耐1400℃高温的金属板，比如铜、铁等，贵金属保护层可以是银、金、铂等在高温下无法氧化的金属，在镀保护层的方法上，可以是化学渡膜法，也可以是物理渡膜法，如磁控溅射、真空渡膜等。

本发明的另一个目的在于公开一种上述的压电陶瓷烧结炉烧结极化的方法，包括以下步骤：

（1）       烧结并高温极化：

将压电陶瓷样品放入权利要求1所述的烧结炉中，1100℃-1400℃保温2-12小时，然后以3-8℃的匀速降温到1000℃；之后自然冷却至压电陶瓷的居里温度以上10-20℃，开启极化程序，极化样品后取出陶瓷样品；

（2）       被电极：

压电陶瓷样品取出后，擦干净上下两面，将免烧银浆均匀涂于样品上下两面，150℃烘干5-8分钟，待银浆烘干后，即可进行压电性能测试。

以上方案的基础上，所述的烧结并高温极化过程中极化程序为先施加直流电场20-40V/mm，并控制温度以5-10℃/分钟速度下降，同时逐渐增加极化电场，待炉温降到100℃时，极化电场升高至3000V/mm；之后自然降温至室温，撤除外加电场，取出陶瓷样品。

其中，居里温度是指材料可以在铁磁体和顺磁体之间改变的温度，即铁电体从铁电相转变成顺电相引的相变温度。也可以说是发生二级相变的转变温度。陶瓷的居里温度一般在200 -500℃之间，不同配方的陶瓷居里温度也不相同。

本发明的有益效果是：

本发明把压电陶瓷制备工艺中的烧结过程和极化过程合二为一，利用烧结后的余温进行高温极化，节约能耗和时间。通常的极化过程是单独进行的，同时每片样品也需要单独进行，而且同时需要经历升温保温再降温的过程，持续时间较长。而在本发明时，升温过程可以省去，同时可以极化所有的陶瓷样品，节约了能耗和时间。

附图说明

附图1为本发明烧结炉的结构示意图；

附图2 为本发明烧结炉基本原理图；

附图3 为本发明所述的高压极化电路结构图；

附图4为本发明烧结炉沿炉体中轴的侧视示意图；

附图5为本发明烧结炉中烧结及极化装置结构示意图；

附图6 为本发明极化电场在降温过程中的设置线性图；

其中，(A) 线性变化，(B)非线性变化；

1为炉体；2为加热棒；3为炉内空间；4为电极板；5为热电偶；6为耐热板；7为耐火砖；8为样品；9为高压极化系统；10为加热电源。

具体实施方式

本发明的具体实施方式如下：如图1-6所示，

一种具有极化功能的压电陶瓷烧结炉，包括由耐火砖构成的炉体1，炉内空间3为长方形，还包括高压极化系统，所述炉体1内部设置上下平行的若干加热棒2，下加热棒贯穿于耐火砖内部；靠近所述加热棒2设置相对的两个电极板4，所述电极板4镶嵌于所述耐火砖的表面上，两个电极板4之间形成热电偶5；两个电极板4之间设置由两个横向的氧化铝高温耐热板6和两个竖向的耐火砖7组成的样品间，压电陶瓷样品8可以按照4个一组，放于样品间中（如图4、5）；所述电极板4通过电极引线与炉体外部高压极化系统9连接，所述高压极化系统9用于控制电极板4的极化电场及控制炉体内温度，烧结炉的加热电源10为加热棒2加热。

所述的上下平行的加热棒，上加热棒2数量为下加热棒数量的2倍。

所述的电极板4为耐1400℃的金属板，所述金属板上镀有银、金或铂的保护层。使用的金属板可以是任意一种耐1400℃高温的金属板，比如铜、铁等，贵金属保护层可以是银、金、铂等在高温下无法氧化的金属，在镀保护层的方法上，可以是化学镀膜法（专利CN100335679 C、专利CN1375017 A），也可以是物理镀膜法，如磁控溅射（专利CN102084023 B）、真空镀膜等。

其中，高压极化系统包括高压极化电路、温控电路、保护电路及时间继电器。

高压极化电路：极化高压产生电路的作用是为极化提供合适的电场条件，它是压电陶瓷极化装置的关键部分。极化高压产生电路功能框图如图3所示，在该电路中，采用中心抽头的调压变压器和升压变压器对市电升压后，输出交流高压，然后再通过桥式整流电路整流得到极化所需直流高压。极化操作时，缓慢调节调压变压器，使输出直流电压缓慢增加，可为极化提供合适的直流电场。

时间继电器：继电器主要用来设定和控制极化时间，极化时间可根据实际需要自由选择。极化时间一到，它就直接关断高压发生电路。起到控制时间和保护的作用。

保护电路：在高压极化电路上加一个保险丝当电流过大的时候断开极化高压电路起到保护的作用。

温控电路：控温加热电路为一般强电供电及控制电路。作用是为极化提供一定的温度条件。该部分设有“全压”、“调压”供电加热方式。“全压”加热方式指以交流220V对加热器直接供电加热。“调压”加热方式指根据极化温度与环境温度保持固定温差时保温的需要，由调压电路调定适当电压对加热器供电加热。电压设有电压表显示。温控器用来设定和控制极化油槽中的油温，超温和欠温信息都可以由它反馈给调压电路加以调整，以保证极化温度的准确性。这里采用DHC2T-D智能温控仪实现300℃以内的温度测量和控制，并有保持恒温的功能，可以通过LED显示温度。

压电陶瓷烧结炉烧结极化的方法，包括以下步骤：

（1）       烧结并高温极化：

将压电陶瓷样品8放入烧结炉的炉体1中，1100℃-1400℃保温2-12小时，然后以3-8℃的匀速降温到1000℃；之后自然冷却至压电陶瓷的居里温度以上10-20℃，开启极化程序，先施加直流电场20-40V/mm，并控制温度以5-10℃/分钟速度下降，同时逐渐增加极化电场，待炉温降到100℃时，极化电场升高至3000V/mm；之后自然降温至室温，撤除外加电场，取出陶瓷样品。

极化过程中极化电场与温度的关系如图6所示，在高温极化过程中，极化电压的变化有两种方案，线性变化和非线性变化，分别如图6(A)和图6(B)所示。其中最小极化电场强度E_min=20-40V／mm，最大极化电场强度E_max=3000V／mm，当绝缘性能大的压电陶瓷可以适当提高极化电场强度，反之，绝缘性能较差的压电陶瓷应该适当降低极化电场强度。不同的压电陶瓷的性能不同，极化程序也不相同，具体选择标准应该以压电陶瓷的性能为准，绝缘性好的压电陶瓷可以选(A)线性变化，变化率可以是5^oC/分钟左右；绝缘性能较差的压电陶瓷可以选(B)非线性变化，变化率依情况而定。

（2）被极化：

压电陶瓷样品取出后，擦干净上下两面，将免烧银浆均匀涂于样品上下两面，150℃烘干5-8分钟，待银浆烘干后，即可进行压电性能测试。

其中，免烧银浆可以选用：湖南利德电子浆料公司生产的，中温导电银浆DT550X。