课程设计说明书PZT压电陶瓷蜂鸣器片学院名称：材料科学与工程学院专业班级：无机非金属材料1001班学号： 3100703002学生姓名：程小伟指导教师：杨娟、周明2014年1月目录前言 (3)1压电蜂鸣片简介 (4)1.1蜂鸣器的作用 (4)1.2蜂鸣器的结构原理 (4)2 陶瓷工艺设计的目的和意义 (5)3设计任务及说明 (5)4计算 (6)4.1以1mol为基准对Pb0.95Sr0.05(Zr0.52Ti0.48)O3 进行计算 (6)4.2以100g为基准对Pb0.95Sr0.05(Zr0.52Ti0.48)O3+0.5wt%Cr2O3+0.3wt%Fe2O3进行计算 (7)5 PZT陶瓷制备的工艺流程 (7)5.1称量与混合 (8)5.2预烧 (8)5.3粉体制备 (9)5.4造粒 (10)5.5成型 (10)5.6排塑 (11)5.7烧成 (12)5.8极化 (15)5.9焊接 (16)5.10测试 (17)6 工艺参数 (18)6.1预烧工艺参数 (18)6.2烧结工艺参数 (18)6.3极化工艺参数 (18)7主要设备选型 (19)7.1球磨机 (19)7.2 喷雾造粒干燥机 (19)7.3滚压成型机 (20)7.4 冲片机 (20)7.5微波烧结装置 (20)8总结 (21)参考文献 (22)前言1880年，居里兄弟首先在单晶上发现压电效应。
在1940年前，人们知道有两类铁电体：罗息盐和磷酸二氢钾盐。
在1940年后，发现了BaTiO3是一种铁电体，具有强的压电效应，这是压电材料发展的一个飞跃。
在1950年后，发现了压电PZT体系，具有非常强和稳定的压电效应，这是具有重大实际意义的进展。
在1970年后，添加不同添加剂的二元系PZT陶瓷具有优良的性能，已经用来制造滤波器、换能器、变压器等。
随着电子工业的发展，对压电材料与器件的要求就越来越高了，二元系PZT已经满足不了使用要求，于是研究和开发性能更加优越的三元、四元甚至五元压电材料。
由于PZT压电陶瓷具有优异的压电、介电和光电等电学性能，广泛地应用于电子、航天等高技术领域，用于制备传感器、换能器、存储器等电子元器件，是一种很有发展前途的功能材料。
由此，国内外研究学者对PZT压电陶瓷进行了大量的研究，包括PZT压电陶瓷元器件，以PZT为基料的三元、四元压电陶瓷，PZT铁电陶瓷薄膜，PZT纤维等铁电陶瓷材料。
由于PZT基压电陶瓷的制备工艺简单，原材料容易获得，价格低廉，并可方便地制成各种复杂的形状，在工程技术方面的应用非常广泛，甚至超过了压电晶体。
PZT系列压电陶瓷的研究已有即几十年的历史,取得了重大进展。
其未来的热点趋势主要有:①高转换效率的PZT压电陶瓷。
高能量转换效率的PZT压电陶瓷正在兴起，日本富士通研究实验室研制出了由铌酸镍铅、钛酸铅和锆酸铅组成的铅基钙钛矿型压电陶瓷,其烧结温度在1000℃以下,能量转换效率指数 K 33为80.8 %。
②低温烧结PZT陶瓷材料的新技术和新工艺。
开发低温烧结PZT压电陶瓷材料的新工艺,实现 PZT压电陶瓷的低温烧结,不仅能有效地保证陶瓷材料的性能,而且可节约能源,有利环保。
③多功能铁电陶瓷。
利用陶瓷材料的加和效应、乘积效应，以及不同联结度之间的搭配可以发展多功能新型铁电陶瓷材料。
研究表明，利用其加和效应可制备出电容——压电双功能陶瓷材料，利用其乘积效应可制备出磁电效应和光致伸缩效应的新型陶瓷材料。
④无铅系列压电陶瓷。
由于PZT基压电陶瓷含有大量的铅成分,制造过程易造成环境污染,于是无铅系列压电陶瓷的研究已悄然兴起。
如:K1-x Na x NbO3、SrBi4Ti4O3等研究都取得了一定的成绩,但这些不合铅的压电陶瓷或性能欠佳,或制造工艺复杂,仍处于探索之中。
1.压电蜂鸣片简介1.1蜂鸣器的作用蜂鸣器是一种一体化结构的电子讯响器，采用直流电压供电，广泛应用于计算机、打印机、复印机、报警器、电子玩具、汽车电子设备、电话机、定时器等电子产品中作发声器件。
蜂鸣器主要分为压电式蜂鸣器和电磁式蜂鸣器两种类型。
蜂鸣器在电路中用字母“H”或“HA”（旧标准用“FM”、“LB”、“JD”等）表示。
1.2蜂鸣器的结构原理压电式蜂鸣器主要由多谐振荡器、压电蜂鸣片、阻抗匹配器及共鸣箱、外壳等组成。
有的压电式蜂鸣器外壳上还装有发光二极管。
多谐振荡器由晶体管或集成电路构成。
当接通电源后（1.5~15V直流工作电压）,多谐振荡器起振,输出1.5~2.5kHZ的音频信号，阻抗匹配器推动压电蜂鸣片发声。
压电蜂鸣片由锆钛酸铅或铌镁酸铅压电陶瓷材料制成。
在陶瓷片的两面镀上银电极，经极化和老化处理后，再与黄铜片或不锈钢片粘在一起。
2.陶瓷工艺设计的目的和意义随着近年来电子工业的飞速发展,PZT压电陶瓷蜂鸣器片的生产厂家越来越多。
市场竞争越来越激烈，同时对产品的要求也是精益求精。
对压电陶瓷蜂鸣片的生产工艺进行合理的设计是非常关键和必要的。
本设计书对压电陶瓷蜂鸣器片的组成、原料选择进行了改进，对产品的加工处理、工艺原理运用、工艺流程选择与工艺方法确定、主要设备的选型进行了系统的阐述。
制备工艺主要包括配料、球磨、喷雾造粒、成型、烧结及后加工等过程。
其中成型工艺是制备过程中很重要的一项工艺，不仅影响管的尺寸形状，根据成型方法的不同，还会影响成型坯体的显微结构的均匀和各相分布的均匀，继而影响烧结工艺，直接影响产品质量，所以本任务书采用了干压成型法。
在烧结方面采用中低温烧成，希望在安全可靠、注意环境保护、合理考虑机械化、自动化装备水平、经济合理的原则下设计出一种制备优质的PZT压电陶瓷蜂鸣器片产品的工艺。
3．设计任务及说明PZT压电陶瓷蜂鸣器片（φ10mm×厚2mm，每片重约1.5克，年产500万片以300个工作日计算）压电陶瓷的分子式为：Pb0.95Sr0.05(Zr0.52Ti0.48)O3+0.5重量% Cr2O3+0.3重量% Fe2O3原料纯度铅丹Pb3O4 98%碳酸锶SrCO3 97%二氧化锆ZrO2 99.5%二氧化钛TiO2 99%三氧化二铁Fe2O3 98.9%三氧化二铬Cr2O3 99%陶瓷瓷坯烧成后还要完成被银、焊电极4.计算4.1以1mol为基准对Pb0.95Sr0.05(Zr0.52Ti0.48)O3 进行计算：原料摩尔百分数摩尔质量质量总质量质量百分比Pb3O4 0.32 685.6 219.4329.3 0.67SrCO3 0.05 147.7 7.4 0.02 ZrO2 0.52 123.2 64.1 0.19 TiO2 0.48 79．9 38.4 0.12 计算公式：质量百分数=摩尔百分数×摩尔质量/总质量4.2以100g为基准对Pb0.95Sr0.05(Zr0.52Ti0.48)O3+0.5wt%Cr2O3+0.3wt%Fe2O3进行计算原料质量百分数1 质量百分数2 原料纯度一块蜂鸣片所需各原料质量/g各原料的日需要量/Kg各原料的年需要量/KgPb3O40.992 0.665 0.98 1.0179 16.965 5089.5SrCO30.020 0.97 0.0309 0.515 154.5 ZrO20.188 0.995 0.2834 4.723 1417 TiO20.119 0.99 0.1803 3.005 901.5Cr2O30.005 0.005 0.989 0.0076 0.1267 38Fe2O30.003 0.003 0.99 0.0045 0.075 22.5 计算公式：一块蜂鸣片所需原料的质量=质量百分数×一块蜂鸣片的质量/原料纯度5. PZT陶瓷制备的工艺流程压电陶瓷的生产工艺一般为：配料——混合——预烧——破碎——粘合剂混合——造粒——成型——排塑——烧成——被银——极化——测试压电陶瓷性能的好坏,与制造工艺的关系非常密切,同一配方,工艺条件的变化可引起材料性能上的很大差异。
为了改进锆钛酸铅系压电陶瓷的性能，采用同一类元素去置换原组成元素或掺入微量杂质的方法以及进行热压烧结等方法进行改性。
通过掺入微量杂质就能大大改变机电耦合系数K、介电常数数￡、机械品质因素Q m ,得到种种满足不同目的材料。
本设计书对传统的PZT掺杂5mol%的锶，并且加入0.5wt%的Cr2O3和0.3wt%Fe2O3 进行改性。
5.1称量与混合首先，根据化学式配料。
所用的原料分别为铅丹、碳酸锶、二氧化锆、二氧化钛、三氧化二铁和三氧化二铬。
按照前面的计算结果称取各原料，注意过程中需要将少量的添加剂要放在大料的中间以便混合均匀。
称取好后将其混合放入球磨机进行球磨粉碎。
球磨分干磨和湿磨两种，少量的样品可以采取干磨，大批量则常采用搅拌球磨或气流粉碎的方法，效率较高。
本设计采用间歇式球磨机。
5.2 预烧预烧是指在高温下,各原料间发生固相反应,合成压电陶瓷。
PZT的合成涉及到的内容是多方面的，例如PZT反应过程，反应动力，反应速率以及,影响反应进行的各种因素，对于锆钛酸铅陶瓷，通常选择在650℃左右保温1一2小时生成PbTiO3，到850℃左右再保温2小时，以生成Pb（ZrTi）O3 。
欲烧的温度需要严格控制，预烧温度太低，反应不充分，性能下降；预烧温度太高，易造成氧化铅大量挥发，不仅使预烧块难于粉碎，并降低烧结活性。
保温时间的长短，可根据料块大小和装炉量确定，料块大，装炉多时，保温时间可长一些，反之，可短一些。
5.3粉体制备PZT压电材料的制备包括粉体的制备,成型,高温烧结和形成元器件等四个步骤。
陶瓷粉体对于成型和烧结过程以及最终元器件性能的影响显得至关重要。
粉体不仅要纯度高、物相均一，更要求颗粒细小以提高烧结活性、粒度均匀以提高成型性、粒径分布窄可以抑制晶粒生成和得到较好的分散性。
在粉体的制备方法中,传统的固相法制备出的粉体 ,粒径较大 ,很难达到微米以下 ,易被污染 ,纯度较低 ,粒径分布较宽 ,易发生硬团聚 ,能量利用率低。
液相法是在溶液状态下制备以纳米粉体 ,具有合成温度低、粉体纯度高、粒径小等优点 ,是目前实验室和工业上广泛采用的制备纳米粉体的方法。
主要有溶胶——凝胶法、共沉淀法、水热合成法等。
本设计采用溶胶——凝胶法。
溶胶——凝胶过程是一种在相对较低温度下，随着溶液的脱水而形成无定形凝胶体的过程。
它是以反应物的混合溶液为基础 ,在凝胶体形成时真正实现了各种粒子之间分子水平上的混合,并保留在凝胶体系中。
使用溶胶——凝胶法制备PZT纳米陶瓷粉体的化学过程是：首先将金属醇盐或其它有机盐在溶剂中发生水解 ,产生水合活性单体 ,活性单体产生交联聚合反应 ,从而形成具有三维空间结构和一定刚性的凝胶体,凝胶体经过干燥和热处理后即得PZT纳米粉体。