具有極化功能的壓電陶瓷燒結(jié)爐及其燒結(jié)極化的方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及陶瓷材料制造領域，特別涉及一種具有極化功能的壓電陶瓷燒結(jié)爐及其燒結(jié)極化的方法，所述燒結(jié)爐包括由耐火磚構(gòu)成的爐體，還包括高壓極化系統(tǒng)，所述爐體內(nèi)部設置上下平行的若干加熱棒，所述加熱棒貫穿于耐火磚內(nèi)部；靠近所述加熱棒設置相對的兩個電極板，所述電極板鑲嵌于所述耐火磚的表面上，兩個電極板之間形成熱電偶；所述的兩個電極板之間設置由兩個橫向的耐熱板和兩個豎向的耐火磚組成的樣品間；所述電極板通過電極引線與爐體外部高壓極化系統(tǒng)連接，所述高壓極化系統(tǒng)用于控制電極板的極化電場，所述控溫系統(tǒng)用于控制爐體溫度。本發(fā)明把壓電陶瓷制備工藝中的燒結(jié)過程和極化過程合二為一，利用燒結(jié)后的余溫進行高溫極化，節(jié)約能耗和時間。
【專利說明】具有極化功能的壓電陶瓷燒結(jié)爐及其燒結(jié)極化的方法

【技術(shù)領域】
[0001]本發(fā)明涉及陶瓷材料制造領域，特別涉及一種具有極化功能的壓電陶瓷燒結(jié)爐及其燒結(jié)極化的方法。

【背景技術(shù)】
[0002]壓電陶瓷是一種能夠?qū)C械能和電能互相轉(zhuǎn)換的功能陶瓷材料，是屬于功能陶瓷材料的一種，也屬于無機非金屬材料。壓電陶瓷利用其材料在機械應力作用下，引起內(nèi)部正負電荷中心相對位移而發(fā)生極化，導致材料兩端表面出現(xiàn)符號相反的束縛電荷即壓電效應而制作，具有敏感的特性，壓電陶瓷主要用于制造超聲換能器、水聲換能器、電聲換能器、陶瓷濾波器、陶瓷變壓器、陶瓷鑒頻器、高壓發(fā)生器、紅外探測器、聲表面波器件、電光器件、弓丨燃引爆裝置和壓電陀螺等，除了用于高科技領域，它更多的是在日常生活中為人們服務。
[0003]目前，現(xiàn)有的壓電陶瓷的制造工藝包括:配料一混合磨細一預燒一二次磨細一造粒一成型一排塑一燒結(jié)一被電極一高壓極化一老化測試。
[0004]燒結(jié)工藝，通常指在高溫下，粉粒復合體(壞體)面積減少、氣孔率降低、致密度提高、顆粒間接觸面積加大、機械強度提高的過程。除普通高溫燒結(jié)外，還有熱壓燒結(jié)、熱等靜壓燒結(jié)、等離子體燒結(jié)等方法。
[0005]極化工藝，使陶瓷內(nèi)部電疇定向排列，從而使陶瓷具有壓電性能。通常的極化工藝是把壓電陶瓷樣品在硅油中加熱到120度左右，在電極間施加3.0kV/mm-5.0kV/mm的直流電場，維持15-20分鐘。
[0006]被電極工藝，在要求的陶瓷表面設置上導電電極。一般方法有銀層燒滲、化學沉積和真空鍍膜?；瘜W沉積和真空鍍膜技術(shù)要求較高，銀層燒滲技術(shù)較簡單，目前也出現(xiàn)了使用鋁(專利號200910192539)或者錫(專利號CN 200610031852)代替銀的方法，以及免燒銀漿，可免去燒銀的過程。
[0007]現(xiàn)有技術(shù)的缺點是，燒結(jié)過程和極化過程是分離的，燒結(jié)結(jié)束后，燒結(jié)爐內(nèi)的余溫沒有利用，這是對能耗的一種浪費。另外，壓電陶瓷燒結(jié)結(jié)束后再進行高溫極化方法，則需要重新加熱到居里溫度附近，即浪費電能又浪費時間。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]本發(fā)明針對現(xiàn)有技術(shù)中的不足，提供一種具有極化功能的壓電陶瓷燒結(jié)爐及其燒結(jié)極化的方法。
[0009]本發(fā)明采取高溫極化的原理，壓電陶瓷在降溫到達居里點時，發(fā)生順電-鐵電相變，同時出現(xiàn)自發(fā)極化。高溫極化方法就是在鐵電相形成的萌芽狀態(tài)前就加上電場，使順電一鐵電相變外在外加定向電場的作用下進行，電疇一出現(xiàn)就有較高的擇優(yōu)取向。另外，在高溫時，鐵電相的c/a軸比較小，電疇作90度轉(zhuǎn)向不致受到很大的阻力，疇壁運動較易，故只要很低的電場，就可以得到低溫時高電場的極化效果。所述電疇:晶體存在自發(fā)極化這一性能且有著自發(fā)取向是一樣的一部分區(qū)域，這些區(qū)域稱為電疇。
[0010]本發(fā)明采取的技術(shù)方案是:
一種具有極化功能的壓電陶瓷燒結(jié)爐，包括由耐火磚構(gòu)成的爐體，還包括高壓極化系統(tǒng)，所述爐體內(nèi)部設置上下平行的若干加熱棒，所述加熱棒貫穿于耐火磚內(nèi)部；靠近所述加熱棒設置相對的兩個電極板，所述電極板鑲嵌于所述耐火磚的表面上，兩個電極板之間形成熱電偶；所述的兩個電極板之間設置由兩個橫向的耐熱板和兩個豎向的耐火磚組成的樣品間；所述電極板通過電極引線與爐體外部高壓極化系統(tǒng)連接，所述高壓極化系統(tǒng)用于控制電極板的極化電場及控制爐體溫度。
[0011]所述高壓極化系統(tǒng)包括高壓極化電路、溫控電路、保護電路及時間繼電器。
[0012]本發(fā)明公開的燒結(jié)爐可以實現(xiàn)燒結(jié)結(jié)束后，直接在燒結(jié)爐內(nèi)利用余溫進行高溫極化，此過程使用較低的直流電壓即可完成。
[0013]以上方案的基礎上，所述的上下平行的加熱棒，下加熱棒貫穿于耐火磚內(nèi)部。
[0014]以上方案的基礎上，所述的上下平行的加熱棒，上加熱棒數(shù)量為下加熱棒數(shù)量的2倍。
[0015]由于爐膛底部用于放置壓電陶瓷樣品，加熱棒不能裸露于爐膛，應置于耐火磚中，而上部的加熱棒可以裸露于爐膛頂部，加熱效果更好，所以通常采用上部數(shù)量為下部數(shù)量的2倍以增強加熱效果。
[0016]以上方案的基礎上，所述的電極板為耐1400°C的金屬板，所述金屬板上鍍有銀、金或鉬的保護層。
[0017]以上方案的基礎上，所述的耐火板為氧化鋁高溫耐熱板。
[0018]本發(fā)明使用的金屬板可以是任意一種耐1400°C高溫的金屬板，比如銅、鐵等，貴金屬保護層可以是銀、金、鉬等在高溫下無法氧化的金屬，在鍍保護層的方法上，可以是化學渡膜法，也可以是物理渡膜法，如磁控濺射、真空渡膜等。
[0019]本發(fā)明的另一個目的在于公開一種上述的壓電陶瓷燒結(jié)爐燒結(jié)極化的方法，包括以下步驟:
(1)燒結(jié)并高溫極化:
將壓電陶瓷樣品放入權(quán)利要求1所述的燒結(jié)爐中，1100°C-140(TC保溫2-12小時，然后以3-8°C的勻速降溫到1000°C ;之后自然冷卻至壓電陶瓷的居里溫度以上10-20°C，開啟極化程序，極化樣品后取出陶瓷樣品；
(2)被電極:
壓電陶瓷樣品取出后，擦干凈上下兩面，將免燒銀漿均勻涂于樣品上下兩面，150°C烘干5-8分鐘，待銀漿烘干后，即可進行壓電性能測試。
[0020]以上方案的基礎上，所述的燒結(jié)并高溫極化過程中極化程序為先施加直流電場20-40V/mm，并控制溫度以5_10°C /分鐘速度下降，同時逐漸增加極化電場，待爐溫降到100°C時，極化電場升高至3000V/mm;之后自然降溫至室溫，撤除外加電場，取出陶瓷樣品。
[0021]其中，居里溫度是指材料可以在鐵磁體和順磁體之間改變的溫度，即鐵電體從鐵電相轉(zhuǎn)變成順電相引的相變溫度。也可以說是發(fā)生二級相變的轉(zhuǎn)變溫度。陶瓷的居里溫度一般在200 -500°C之間，不同配方的陶瓷居里溫度也不相同。
[0022]本發(fā)明的有益效果是:
本發(fā)明把壓電陶瓷制備工藝中的燒結(jié)過程和極化過程合二為一，利用燒結(jié)后的余溫進行高溫極化，節(jié)約能耗和時間。通常的極化過程是單獨進行的，同時每片樣品也需要單獨進行，而且同時需要經(jīng)歷升溫保溫再降溫的過程，持續(xù)時間較長。而在本發(fā)明時，升溫過程可以省去，同時可以極化所有的陶瓷樣品，節(jié)約了能耗和時間。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0023]附圖1為本發(fā)明燒結(jié)爐的結(jié)構(gòu)示意圖；
附圖2為本發(fā)明燒結(jié)爐基本原理圖；
附圖3為本發(fā)明所述的高壓極化電路結(jié)構(gòu)圖；
附圖4為本發(fā)明燒結(jié)爐沿爐體中軸的側(cè)視示意圖；
附圖5為本發(fā)明燒結(jié)爐中燒結(jié)及極化裝置結(jié)構(gòu)示意圖；
附圖6為本發(fā)明極化電場在降溫過程中的設置線性圖；
其中，(A)線性變化，(B)非線性變化；
I為爐體；2為加熱棒；3為爐內(nèi)空間；4為電極板；5為熱電偶；6為耐熱板；7為耐火磚；8為樣品；9為高壓極化系統(tǒng)；10為加熱電源。

【具體實施方式】
[0024]本發(fā)明的【具體實施方式】如下:如圖1-6所示，
一種具有極化功能的壓電陶瓷燒結(jié)爐，包括由耐火磚構(gòu)成的爐體1，爐內(nèi)空間3為長方形，還包括高壓極化系統(tǒng)，所述爐體I內(nèi)部設置上下平行的若干加熱棒2，下加熱棒貫穿于耐火磚內(nèi)部；靠近所述加熱棒2設置相對的兩個電極板4,所述電極板4鑲嵌于所述耐火磚的表面上，兩個電極板4之間形成熱電偶5 ;兩個電極板4之間設置由兩個橫向的氧化鋁高溫耐熱板6和兩個豎向的耐火磚7組成的樣品間，壓電陶瓷樣品8可以按照4個一組，放于樣品間中(如圖4、5);所述電極板4通過電極引線與爐體外部高壓極化系統(tǒng)9連接，所述高壓極化系統(tǒng)9用于控制電極板4的極化電場及控制爐體內(nèi)溫度，燒結(jié)爐的加熱電源10為加熱棒2加熱。
[0025]所述的上下平行的加熱棒，上加熱棒2數(shù)量為下加熱棒數(shù)量的2倍。
[0026]所述的電極板4為耐1400°C的金屬板，所述金屬板上鍍有銀、金或鉬的保護層。使用的金屬板可以是任意一種耐1400°C高溫的金屬板，比如銅、鐵等，貴金屬保護層可以是銀、金、鉬等在高溫下無法氧化的金屬，在鍍保護層的方法上，可以是化學鍍膜法(專利CN100335679 C、專利CN1375017 A)，也可以是物理鍍膜法，如磁控濺射(專利CN102084023B)、真空鍍膜等。
[0027]其中，高壓極化系統(tǒng)包括高壓極化電路、溫控電路、保護電路及時間繼電器。
[0028]高壓極化電路:極化高壓產(chǎn)生電路的作用是為極化提供合適的電場條件，它是壓電陶瓷極化裝置的關(guān)鍵部分。極化高壓產(chǎn)生電路功能框圖如圖3所示，在該電路中，采用中心抽頭的調(diào)壓變壓器和升壓變壓器對市電升壓后，輸出交流高壓，然后再通過橋式整流電路整流得到極化所需直流高壓。極化操作時，緩慢調(diào)節(jié)調(diào)壓變壓器，使輸出直流電壓緩慢增加，可為極化提供合適的直流電場。
[0029]時間繼電器:繼電器主要用來設定和控制極化時間，極化時間可根據(jù)實際需要自由選擇。極化時間一到，它就直接關(guān)斷高壓發(fā)生電路。起到控制時間和保護的作用。
[0030]保護電路:在高壓極化電路上加一個保險絲當電流過大的時候斷開極化高壓電路起到保護的作用。
[0031]溫控電路:控溫加熱電路為一般強電供電及控制電路。作用是為極化提供一定的溫度條件。該部分設有“全壓”、“調(diào)壓”供電加熱方式。“全壓”加熱方式指以交流220V對加熱器直接供電加熱?！罢{(diào)壓”加熱方式指根據(jù)極化溫度與環(huán)境溫度保持固定溫差時保溫的需要，由調(diào)壓電路調(diào)定適當電壓對加熱器供電加熱。電壓設有電壓表顯示。溫控器用來設定和控制極化油槽中的油溫，超溫和欠溫信息都可以由它反饋給調(diào)壓電路加以調(diào)整，以保證極化溫度的準確性。這里采用DHC2T-D智能溫控儀實現(xiàn)300°C以內(nèi)的溫度測量和控制，并有保持恒溫的功能，可以通過LED顯示溫度。
[0032]壓電陶瓷燒結(jié)爐燒結(jié)極化的方法，包括以下步驟:
(I)燒結(jié)并高溫極化:
將壓電陶瓷樣品8放入燒結(jié)爐的爐體I中，1100°C _1400°C保溫2-12小時，然后以3-8°C的勻速降溫到1000°C ;之后自然冷卻至壓電陶瓷的居里溫度以上10-20°C，開啟極化程序，先施加直流電場20-40V/mm，并控制溫度以5_10°C /分鐘速度下降，同時逐漸增加極化電場，待爐溫降到100°C時，極化電場升高至3000V/mm;之后自然降溫至室溫，撤除外加電場，取出陶瓷樣品。
[0033]極化過程中極化電場與溫度的關(guān)系如圖6所示，在高溫極化過程中，極化電壓的變化有兩種方案，線性變化和非線性變化，分別如圖6(A)和圖6(B)所示。其中最小極化電場強度Emin=20-40V / mm,最大極化電場強度Emax=3000V / mm,當絕緣性能大的壓電陶瓷可以適當提高極化電場強度，反之，絕緣性能較差的壓電陶瓷應該適當降低極化電場強度。不同的壓電陶瓷的性能不同，極化程序也不相同，具體選擇標準應該以壓電陶瓷的性能為準，絕緣性好的壓電陶瓷可以選㈧線性變化，變化率可以是5°C/分鐘左右；絕緣性能較差的壓電陶瓷可以選(B)非線性變化，變化率依情況而定。
[0034](2)被極化:
壓電陶瓷樣品取出后，擦干凈上下兩面，將免燒銀漿均勻涂于樣品上下兩面，150°C烘干5-8分鐘，待銀漿烘干后，即可進行壓電性能測試。
[0035]其中，免燒銀漿可以選用:湖南利德電子漿料公司生產(chǎn)的，中溫導電銀漿DT550X。
【權(quán)利要求】
1.一種具有極化功能的壓電陶瓷燒結(jié)爐，包括由耐火磚構(gòu)成的爐體(1)，還包括高壓極化系統(tǒng)(9 )，所述爐體(I)內(nèi)部設置上下平行的若干加熱棒(2 );靠近所述加熱棒(2 )設置相對的兩個電極板(4)，所述電極板(4)鑲嵌于所述耐火磚的表面上，兩個電極板(4)之間形成熱電偶(5 );所述的兩個電極板(4 )之間設置由兩個橫向的耐熱板(6 )和兩個豎向的耐火磚(7)組成的樣品間；所述電極板(4)通過電極引線與爐體外部高壓極化系統(tǒng)(9)連接，所述高壓極化系統(tǒng)(9)用于控制電極板(4)的極化電場及控制爐體溫度。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的壓電陶瓷燒結(jié)爐，其特征在于，所述的上下平行的加熱棒，下加熱棒貫穿于耐火磚內(nèi)部。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的壓電陶瓷燒結(jié)爐，其特征在于，所述的上下平行的加熱棒，上加熱棒數(shù)量為下加熱棒數(shù)量的2倍。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的壓電陶瓷燒結(jié)爐，其特征在于，所述的電極板為耐1400°C的金屬板，所述金屬板上鍍有銀、金或鉬的保護層。
5.根據(jù)權(quán)利要求1-4任一項所述的壓電陶瓷燒結(jié)爐，其特征在于，所述的耐火板(6)為氧化鋁高溫耐熱板。
6.一種利用權(quán)利要求1所述的壓電陶瓷燒結(jié)爐燒結(jié)極化的方法，包括以下步驟: 1)燒結(jié)并高溫極化: 將壓電陶瓷樣品放入權(quán)利要求1所述的燒結(jié)爐中，1100°C-140(TC保溫2-12小時，然后以3-8°C的勻速降溫到1000°C ;之后自然冷卻至壓電陶瓷的居里溫度以上10-20°C，開啟極化程序，極化樣品后取出陶瓷樣品； 2)被電極: 壓電陶瓷樣品取出后，將免燒銀漿均勻涂于樣品上下兩面，150°C烘干5-8分鐘，待銀漿烘干后，即可進行壓電性能測試。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的壓電陶瓷燒結(jié)爐燒結(jié)極化的方法，其特征在于，所述的燒結(jié)并高溫極化過程中極化程序為先施加直流電場20-40V/mm，并控制溫度以5_10°C /分鐘速度下降，同時逐漸增加極化電場，待爐溫降到100°C時，極化電場升高至3000V/_ ;之后自然降溫至室溫，撤除外加電場，取出陶瓷樣品。
【文檔編號】C04B41/88GK104197714SQ201410425946
【公開日】2014年12月10日 申請日期:2014年8月27日 優(yōu)先權(quán)日:2014年8月27日
【發(fā)明者】亓鵬, 程方 申請人:中國石油大學(華東)