壓電陶瓷的制造技術(shù)
更新時(shí)間： 2019-07-15
雖然單層和多層壓電陶瓷元件的制造工藝有共同之處，但它們卻截然不同。單層壓電陶瓷元件由一層壓電陶瓷材料制成，成形壓力高達(dá)1 MN。多層壓電元件通過澆鑄非常薄的壓電陶瓷材料層制成，在該薄層上印刷薄的電極材料層，然后層壓超過100層。
單層壓電陶瓷的基本制造
單層壓電陶瓷元件是只有一層壓電陶瓷組成的產(chǎn)品，其中導(dǎo)電金屬電極施加到兩個(gè)相對側(cè)。這些電極在材料極化期間使用（如磁性材料中那樣對準(zhǔn)電偶極子），并且還用作在使用期間施加電場的電觸點(diǎn)。單層壓電陶瓷元件是通過常規(guī)工藝將壓電陶瓷粉末進(jìn)行壓制而成，如單軸壓制、等靜壓和擠壓。
考慮到燒結(jié)收縮，或者加工過量，成型體要么是真實(shí)尺寸的，要么在燒結(jié)后除去，以達(dá)到所需的精度。
芯明天具有多種多層壓電陶瓷（也稱為壓電陶瓷疊堆），如下所示。
芯明天多層壓電陶瓷
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共燒型具有樹脂的壓電陶瓷疊堆
共燒型具有樹脂的壓電陶瓷疊堆，樹脂分綠色和灰色兩種，方形截面尺寸由1.2×1.2mm至25×25mm可選；環(huán)形外徑可達(dá)20mm；出力可達(dá)25000N ；單支高度達(dá)27mm、位移達(dá)42µm，也可通過疊堆方式獲取更大高度或位移。
具有樹脂的壓電陶瓷疊堆
大出力型壓電陶瓷疊堆
大出力型壓電陶瓷疊堆為柱形或環(huán)形，出力可高達(dá)50000N；驅(qū)動電壓為0~500V或1000V；單支位移可達(dá)105µm；外徑可達(dá)35mm。
無樹脂型壓電陶瓷堆棧
無樹脂型壓電陶瓷堆棧的截面尺寸由2×2mm至15×15mm可選；環(huán)形外徑可達(dá)20mm；出力可達(dá)9450N；單支高度自由選擇，可達(dá)200mm；位移達(dá)326.7µm。
芯明天可提供定制壓電陶瓷。
壓電陶瓷的制造流程
單層和多層壓電陶瓷制造過程的流程圖如下所示。
每個(gè)流程簡單介紹
原材料 - 單層和多層壓電陶瓷加工過程
使用高純度原料，主要是氧化鉛、氧化鈦、氧化鋯和一系列摻雜劑。
混合 - 單層和多層壓電陶瓷加工過程
根據(jù)處方配比，對原材料進(jìn)行稱重，并與添加劑和溶劑混合。
煅燒 - 單層和多層壓電陶瓷加工過程
將混合材料在900℃至1000℃下煅燒，以除去原料混合物中的有機(jī)物，并且形成更均勻的材料。
研磨 - 單層和多層壓電陶瓷加工過程
將煅燒后的材料進(jìn)行研磨，以獲得具有所需粒度（顆粒大小）的非常均勻的懸浮液。測量懸浮液的粘度，合格后用于多層陶瓷的流延澆鑄或單層陶瓷的生產(chǎn)。
制粒 - 僅用于單層壓電陶瓷加工過程
將粉末與粘合劑混合并噴霧干燥，以進(jìn)行進(jìn)一步處理。
壓制 - 僅用于單層壓電陶瓷加工過程
壓電陶瓷材料在特定壓制工具中被壓制，該壓制工具適合所生產(chǎn)的形狀。
混合 - 僅用于多層壓電陶瓷加工過程
將粉末與特定粘合劑混合。研磨混合材料以形成均勻的懸浮液（漿料）。
流延/澆鑄 - 僅用于多層壓電陶瓷加工過程
將懸浮液用帶澆鑄在載體箔上。帶厚度在20-40μm之間作為標(biāo)準(zhǔn)。綠色陶瓷帶包含粘合劑材料，使得帶在以下過程中具有柔性且易于處理。
構(gòu)建 - 僅用于多層壓電陶瓷加工過程
切割。將帶切割成薄片，并自動檢查缺陷。
印制
使用具有合適電極漿料，通過絲網(wǎng)印刷工藝在壓電陶瓷片上印刷具有預(yù)定圖案的鉑或銀/鈀電極。簡單的多層壓電陶瓷促動器通常由2個(gè)不同的電極圖案組成，而更復(fù)雜的設(shè)計(jì)可包括5個(gè)不同的印刷電極。
堆疊 - 僅用于多層壓電陶瓷加工過程
壓電陶瓷片的層以正確的順序自動堆疊到終內(nèi)建的設(shè)計(jì)中。所有壓電陶瓷均制成150mmx150mm塊。
層壓 - 僅用于多層壓電陶瓷加工過程
壓電陶瓷塊在規(guī)定的壓力、溫度和特定的持續(xù)時(shí)間內(nèi)層壓。在此過程中，將單獨(dú)切割的層牢固地層壓并使其彼此適當(dāng)接觸。
切割和鉆孔 - 僅用于多層壓電陶瓷加工過程
在層壓之后，將各個(gè)部件從綠色壓電陶瓷塊切割或研磨出來。切割需要準(zhǔn)確地遵循內(nèi)部電極的圖案。在某些情況下，切割也在燒結(jié)陶瓷上進(jìn)行。
粘合劑燒盡 - 用于單層和多層壓電陶瓷加工過程
通過非常緩慢地將生坯部件加熱至500~700℃的溫度來除去粘合劑材料、添加劑和剩余溶劑這些有機(jī)化合物，它們從陶瓷中分解并蒸發(fā)。
燒結(jié) - 用于單層和多層壓電陶瓷加工過程
為了使晶粒生長和擴(kuò)散形成致密的壓電陶瓷元件，需要在高溫下燒結(jié)。必須使用該過程優(yōu)化若干參數(shù)，例如，溫度上升速率、保溫時(shí)間和空氣條件。
加工 - 用于單層和多層壓電陶瓷加工過程
根據(jù)具體產(chǎn)品，大多數(shù)產(chǎn)品在終端處理之前或之后以某種方式進(jìn)行機(jī)械加工或矯正。通常采用研磨工藝，研磨介質(zhì)的晶粒尺寸適合于部件上的所需表面粗糙度。
終端處理 - 用于單層和多層壓電陶瓷加工過程
對于多層壓電陶瓷產(chǎn)品，應(yīng)用外部電極以連接到部件內(nèi)部的內(nèi)部電極。對于單層壓電陶瓷產(chǎn)品，端接提供外部電極。
通過絲網(wǎng)印刷和燒制電極漿料（通常為銀）或通過濺射工藝進(jìn)行終端處理。
極化 - 用于單層和多層壓電陶瓷加工過程
在極化過程中，施加足夠的DC電場，并且該施加的電場在電場方向上起主導(dǎo)作用，并導(dǎo)致材料的殘余極化。這種對準(zhǔn)在極化過程中實(shí)現(xiàn)，極化是在高溫下將高電場（2-3kV / mm）施加到外部電極一段特定的時(shí)間。
終檢驗(yàn) - 用于單層和多層壓電陶瓷加工過程
在極化之后，壓電陶瓷元件和疊堆將根據(jù)規(guī)范程序進(jìn)行終檢查，是統(tǒng)計(jì)方法和100％測量的組合。可以根據(jù)客戶規(guī)格測試各種機(jī)械和電氣參數(shù)。通常，對于多層壓電陶瓷，電容、介電損耗和機(jī)械應(yīng)變水平（行程/位移）被用于檢測，而對于單層壓電陶瓷，檢測頻率響應(yīng)（小阻抗，耦合）是更有意義的。
堆疊 - 用于單層和多層壓電陶瓷加工過程
單層壓電陶瓷和多層壓電陶瓷都可以進(jìn)行堆疊。元件通過環(huán)氧粘合劑粘合在一起。兩端增加非致動壓電陶瓷端片以提供電絕緣并分散負(fù)載。堆疊內(nèi)的各個(gè)元件通常通過公共總線電連接在一起。
包裝 - 用于單層和多層壓電陶瓷加工過程
組件正確包裝在塑料托盤、塑料袋、泡沫中或放在膠帶上，然后放入準(zhǔn)備裝運(yùn)的盒子中。用于真空應(yīng)用的產(chǎn)品會經(jīng)過特定的清潔和包裝過程。
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