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压电陶瓷的制造技术

虽然单层和多层压电陶瓷元件的制造工艺有共同之处,但它们却截然不同。单层压电陶瓷元件由一层压电陶瓷材料制成,成形压力高达1 MN。多层压电元件通过浇铸非常薄的压电陶瓷材料层制成,在该薄层上印刷薄的电极材料层,然后层压超过100层。

单层压电陶瓷的基本制造

单层压电陶瓷元件是只有一层压电陶瓷组成的产品,其中导电金属电极施加到两个相对侧。这些电极在材料极化期间使用(如磁性材料中那样对准电偶极子),并且还用作在使用期间施加电场的电触点。单层压电陶瓷元件是通过常规工艺将压电陶瓷粉末进行压制而成,如单轴压制、等静压和挤压。

考虑到烧结收缩,或者加工过量,成型体要么是真实尺寸的,要么在烧结后除去,以达到所需的精度。

芯明天具有多种多层压电陶瓷(也称为压电陶瓷叠堆),如下所示。

芯明天多层压电陶瓷

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共烧型具有树脂的压电陶瓷叠堆

共烧型具有树脂的压电陶瓷叠堆,树脂分绿色和灰色两种,方形截面尺寸由1.2×1.2mm至25×25mm可选;环形外径可达20mm;出力可达25000N ;单支高度达27mm、位移达42µm,也可通过叠堆方式获取更大高度或位移。

 

具有树脂的压电陶瓷叠堆 

大出力型压电陶瓷叠堆

大出力型压电陶瓷叠堆为柱形或环形,出力可高达50000N;驱动电压为0~500V或1000V;单支位移可达105µm;外径可达35mm。

无树脂型压电陶瓷堆栈

无树脂型压电陶瓷堆栈的截面尺寸由2×2mm至15×15mm可选;环形外径可达20mm;出力可达9450N;单支高度自由选择,可达200mm;位移达326.7µm。

芯明天可提供定制压电陶瓷。

压电陶瓷的制造流程

单层和多层压电陶瓷制造过程的流程图如下所示。

 

每个流程简单介绍

原材料 - 单层和多层压电陶瓷加工过程

使用高纯度原料,主要是氧化铅、氧化钛、氧化锆和一系列掺杂剂。

 

混合 - 单层和多层压电陶瓷加工过程

根据处方配比,对原材料进行精确称重,并与添加剂和溶剂混合。

 

煅烧 - 单层和多层压电陶瓷加工过程

将混合材料在900℃至1000℃下煅烧,以除去原料混合物中的有机物,并且形成更均匀的材料。

 

研磨 - 单层和多层压电陶瓷加工过程

将煅烧后的材料进行研磨,以获得具有所需粒度(颗粒大小)的非常均匀的悬浮液。测量悬浮液的粘度,合格后用于多层陶瓷的流延浇铸或单层陶瓷的生产。

 

制粒 - 仅用于单层压电陶瓷加工过程

将粉末与粘合剂混合并喷雾干燥,以进行进一步处理。

 

压制 - 仅用于单层压电陶瓷加工过程

压电陶瓷材料在特定压制工具中被压制,该压制工具适合所生产的形状。

 

混合 - 仅用于多层压电陶瓷加工过程

将粉末与特定粘合剂混合。研磨混合材料以形成均匀的悬浮液(浆料)。

 

流延/浇铸 - 仅用于多层压电陶瓷加工过程

将悬浮液用带浇铸在载体箔上。带厚度在20-40μm之间作为标准。绿色陶瓷带包含粘合剂材料,使得带在以下过程中具有柔性且易于处理。

 

构建 - 仅用于多层压电陶瓷加工过程

切割。将带切割成薄片,并自动检查缺陷。

 

印制

使用具有合适电极浆料,通过丝网印刷工艺在压电陶瓷片上印刷具有预定图案的铂或银/钯电极。简单的多层压电陶瓷促动器通常由2个不同的电极图案组成,而更复杂的设计可包括5个不同的印刷电极。

 

堆叠 - 仅用于多层压电陶瓷加工过程

压电陶瓷片的层以正确的顺序自动堆叠到最终内建的设计中。所有压电陶瓷均制成150mmx150mm块。

 

层压 - 仅用于多层压电陶瓷加工过程

压电陶瓷块在规定的压力、温度和特定的持续时间内层压。在此过程中,将单独切割的层牢固地层压并使其彼此适当接触。

 

切割和钻孔 - 仅用于多层压电陶瓷加工过程

在层压之后,将各个部件从绿色压电陶瓷块切割或研磨出来。切割需要准确地遵循内部电极的图案。在某些情况下,切割也在烧结陶瓷上进行。

 

粘合剂烧尽 - 用于单层和多层压电陶瓷加工过程

通过非常缓慢地将生坯部件加热至500~700℃的温度来除去粘合剂材料、添加剂和剩余溶剂这些有机化合物,它们从陶瓷中分解并蒸发。

 

烧结 - 用于单层和多层压电陶瓷加工过程

为了使晶粒生长和扩散形成致密的压电陶瓷元件,需要在高温下烧结。必须使用该过程优化若干参数,例如,温度上升速率、保温时间和空气条件。

 

加工 - 用于单层和多层压电陶瓷加工过程

根据具体产品,大多数产品在终端处理之前或之后以某种方式进行机械加工或矫正。通常采用研磨工艺,研磨介质的晶粒尺寸适合于部件上的所需表面粗糙度。

 

终端处理 - 用于单层和多层压电陶瓷加工过程

对于多层压电陶瓷产品,应用外部电极以连接到部件内部的内部电极。对于单层压电陶瓷产品,端接提供外部电极。

通过丝网印刷和烧制电极浆料(通常为银)或通过溅射工艺进行终端处理。

 

极化 - 用于单层和多层压电陶瓷加工过程

在极化过程中,施加足够的DC电场,并且该施加的电场在电场方向上起主导作用,并导致材料的残余极化。这种对准在极化过程中实现,极化是在高温下将高电场(2-3kV / mm)施加到外部电极一段特定的时间。

 

最终检验 - 用于单层和多层压电陶瓷加工过程

在极化之后,压电陶瓷元件和叠堆将根据规范程序进行最终检查,是统计方法和100%测量的组合。可以根据客户规格测试各种机械和电气参数。通常,对于多层压电陶瓷,电容、介电损耗和机械应变水平(行程/位移)被指定用于检测,而对于单层压电陶瓷,检测频率响应(最小阻抗,耦合)是更有意义的。

 

堆叠 - 用于单层和多层压电陶瓷加工过程

单层压电陶瓷和多层压电陶瓷都可以进行堆叠。元件通过环氧粘合剂粘合在一起。两端增加非致动压电陶瓷端片以提供电绝缘并分散负载。堆叠内的各个元件通常通过公共总线电连接在一起。

 

包装 - 用于单层和多层压电陶瓷加工过程

组件正确包装在塑料托盘、塑料袋、泡沫中或放在胶带上,然后放入准备装运的盒子中。用于真空应用的产品会经过特定的清洁和包装过程。

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