CN101913866B - 燃气点火压电陶瓷及其制作工艺 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及燃气点火压电陶瓷及其制作工艺；主要应用于打火机，压电点火器、自动燃气灶、压电点火器、炮弹引爆装置。它含有主要成份原料氧化铅(PbO)、二氧化锆(ZrO2)、二氧化钛(TiO2)、氧化钡(BaO)和微量添加原料氧化铈(CeO2)、三氧化二锑(Sb2O3)和二氧化锰(MnO2)；制作工艺是：称量各种原料-球磨-压滤成块-煅烧-煅烧料粉-造粒-干压成型-生坯装钵-烧结-抛光-镀银-烧银-极化-燃气点火压电陶瓷。本发明能降低烧结温度，减少氧化铅挥发污染环境；提高材料的介电、压电系数，并在烧结过程中降低能源消耗。

Description

燃气点火压电陶瓷及其制作工艺
技术领域
本发明涉及压电陶瓷组合物及压电陶瓷的制造方法，具体地说，本发明涉及燃气点火压电陶瓷及其制作工艺；主要应用于打火机，压电点火器、自动燃气灶、压电点火器、炮弹引爆装置。
背景技术
具有压电性能的锆钛酸铅陶瓷(PZT)是目前电子陶瓷应用广泛的一种材料系列，主要用在点火器上将机械力转换为电火花来点燃可燃性气体；其原理是利用压电陶瓷的正压电效应，当压电体沿极化方向受到挤压或冲击力时，瓷棒受到压缩产生形变，致使瓷柱两端表面出现符号相反的束缚电荷，产生的电荷经过导线流动在电极间隙发生放电火花，从而点燃可燃性气体，火花能量越大，点燃率越高。在锆钛酸铅陶瓷材料中，烧结温度一般在1150～1300℃之间，有些甚至更高，烧结过程中氧化铅(PbO)挥发严重污染环境，又造成组份的偏差，影响压电性能；另外，为了获得所需的单块压电结构，必须将昂贵的铂电极材料与这些压电陶瓷材料结合使用；另一方面，如果使用廉价的Ag或Pd电极材料，必须在压电陶瓷材料中加入某些烧结助剂，如PbO或SiO2，从而降低其烧结温度。为了减轻环境污染，节约能源和节约压电应用器件的材料成本，多年来人们一直对压电陶瓷低温烧结技术进行研究。
现有技术有人提出的低温烧结陶瓷材料，是在烧结过程中产生玻璃相，通过溶解-解析传质过程，来进行液相烧结，可使烧结温度降至960℃～1000℃，但这些添加剂都是以低温玻璃形式存在，粘结各个晶粒，达到瓷体密实化的目的，在烧结后期存在于晶界处形成比较厚的晶界层。然而由于这些玻璃相的存在，使陶瓷材料的介电性能和压电性能参数，降低了许多。
1989年11月22日中国发明专利公开号CN1037426A，公开了清华大学桂治轮等人所提出的“低温烧结的含铅系压电陶瓷及其制造工艺”是在合钙钛矿结构的基料组成的压电陶瓷中添加Pb4+，Mn4+，Cd2+，Si4+，Ni2+等到压电陶瓷基料中，使烧成温度降低至860℃～900℃下烧成，但该专利采用氧化镉(CdO)、醋酸镍等添加物容易与氧化镉(CdO)形成镍酸铅和镉酸铅，减弱了Gd和Ni在基料中置换，改性与活比晶格的作用。压电常数d33仍满足不了打火机，压电点火器应用的要求。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对上述之不足，设计一种能降低烧结温度，减少氧化铅挥发污染环境；提高材料的介电、压电系数，并在烧结过程中降低能源消耗的燃气点火压电陶瓷及其制作工艺。
为了解决上述问题，本发明提供一种燃气点火压电陶瓷，含有主要成份原料：氧化铅(PbO)、二氧化锆(ZrO2)、二氧化钛(TiO2)、氧化钡(BaO)和微量添加原料；所述的微量添加原料是氧化铈(CeO2)、三氧化二锑(Sb2O3)和二氧化锰(MnO2)；其组成通式是：xPbO+yZrO2+zTiO2+mBaO+uCeO2+vSb2O3+wMnO2；这里x，y，z，m，u，v，w为重量比，其中：0.60≤x≤0.69；0.16≤y≤0.25；0.08≤z≤0.15；0.01≤m≤0.025；0.005≤u≤0.015；0.01≤v≤0.02；0.002≤w≤0.01。
本发明燃气点火压电陶瓷的制作工艺是：
a、将氧化铅、二氧化锆、二氧化钛、氧化钡、氧化铈、三氧化二锑、二氧化锰，按上述通式配比称量各种原料放入球磨机中；
b、向球磨机中加入步骤a所称量的各种原料重量总和数量的2倍重量的水，开动球磨机，混匀搅拌磨浆，正常搅拌磨浆16～24小时；
c、将球磨好的浆料压滤成块，直接放入烧结炉中，在850℃～950℃下保温煅烧1.5～2.5小时，合成煅烧料；
d、把合成好的煅烧料粉碎成粉料，再加入粉料重量6％的PVA水溶液造粒；
e、将造粒干压成型为圆柱形生坯，控制成型压力为200～300Mpa；将生坯装入烧结钵中，用步骤d粉碎过程所产生的粉碎尾料粉埋盖生坯表面；
f、将装好生坯的烧结钵，在900℃～1000℃的烧结炉中密封保温烧结2～3小时，成圆柱形烧结陶瓷；
g、将烧结陶瓷放入球磨罐中抛光，得到尺寸一致、表面光滑的圆柱形陶瓷；在圆柱形陶瓷两端的表面镀上一层0.02±0.001μm的纯银，放入刚玉匣钵中，再次在600℃～750℃的烧结炉中保温烧结30分钟，得圆柱形镀银陶瓷；
h、在圆柱形镀银陶瓷其中的一端镀银面上做电极标识，按标识一致的方向将100个以上的圆柱形镀银陶瓷并联排列在极化槽夹上，极化槽夹放入120℃～140℃的硅油中，并对上述的圆柱形镀银陶瓷加3Kv/mm～8Kv/mm的高压电场，极化30分钟；即得燃气点火压电陶瓷。
与现有技术相比，本发明所提供瓷料的烧成温度与中国专利CN1037426A相近，巳但以锆钛酸铅陶瓷为代表的含铅瓷压电性能比CN1037426A以铌镁-铌镍一锆钛酸铅系列(PMN-PNN-PZT)为代表的含铅瓷工艺更优化，生产成本更低。具体表现在：
①本发明通过合理选择基料组成和添加物，在锆钛酸铅陶瓷的基料组成中，用钡、锑、锰元素等价置换和异价取代，以及复合添加等方法，实现价态和缺位补偿，活化晶格，并通过添加物和取代元素的合理搭配形成低共熔。通过副族元素置换促进烧结，总的原则是低共熔物作为起始相和过渡相起助烧作用，作为最终相进入晶格起改性作用。这种先助熔后改性的技术路线即过渡液相烧结的方法得到了低烧，高密度、优质的压电陶瓷，从而实现了既大幅度降低烧结温度又提高压电性能的总目的；此外采用一些高活性的氧化铈原料促进固相反应，降低烧成温度；本发明烧结温度由原来1150～1300℃，降低到900℃～1000℃，减少了有毒物氧化铅(PbO)的挥发，减轻了对环境的污染，粉碎尾料粉埋盖生坯烧成工艺的采用，简化了工艺，降低了成本；
②现有技术的配方的PZT烟火陶瓷压电应变常数d33值为400，瞬间产生放电电压8000伏特，点火次数为30000次就几乎不能再用，不符合出口高可靠性点火陶瓷的要求，本发明采用过渡液相烧结的方法得到了低烧，高密度、优质的压电点火陶瓷其压电应变常数d33值高达580，瞬间产生放电电压高达16000伏特，稳定点火次高达100000次；
③本发明用两个直径2～3毫米、高4～5毫米的压电陶瓷柱取代普通的火石，可以制成一种可连续打火10万次的气体电子打火机。用压电陶瓷把电能转换成超声振动，可以用来探寻水下鱼群的位置和形状，对金属进行无损探伤，以及超声清洗、超声医疗，还可以做成各种超声切割器、焊接装置及烙铁，对塑料甚至金属进行加工。本发明还可用于压电点火器、自动燃气灶、炮弹引爆装置以及电子、光、热、声学等领域。
具体实施方式
本发明通过下列方案予以实现。
一种燃气点火压电陶瓷，含有主要成份原料：氧化铅(PbO)、二氧化锆(ZrO2)、二氧化钛(TiO2)、氧化钡(BaO)和微量添加原料；其特征是：所述的微量添加原料是氧化铈(CeO2)、三氧化二锑(Sb2O3)和二氧化锰(MnO2)；
根据该主要成份原料和微量添加原料的配比以及制作方法，表1列出了各实例在不同配料比例下，点火压电陶瓷的烧结温度和时间的数据。表2给出各实例的压电性能参数。
表3列出各实例试样不同配方中，实际装机在日用打火机试样装置中，试验点火次数，除了1号配方在点火3万次后，出现破裂现象，而无法继续点火外，其它样品均试样性能稳定。
表1：
Figure BSA00000240062000051
表2：
表3：
Figure BSA00000240062000061

Claims (1)

1.一种燃气点火压电陶瓷的制作工艺；其特征在于它包括下述步骤是：
a、将氧化铅、二氧化锆、二氧化钛、氧化钡、氧化铈、三氧化二锑 、二氧化锰，按组成通式：xPbO+yZrO2+ zTiO2+mBaO+ uCeO2+vSb2O3+wMnO2；其中：0.60≤x≤0.69；0.16≤y≤0.25；0.08≤z≤0.15 ;0.01≤m≤0.025 ;0.005≤u≤0.015; 0.01≤v≤0.02; 0.002≤w≤0.01的重量比称量各种原料放入球磨机中；
b、向球磨机中加入步骤a所称量的各种原料重量总和数量的2倍重量的水，开动球磨机，混匀搅拌磨浆，正常搅拌磨浆16～24小时；
c、将球磨好的浆料压滤成块，直接放入烧结炉中，在850℃～950℃下保温煅烧1.5～2.5小时，合成煅烧料； 
d、把合成好的煅烧料粉碎成粉料，再加入粉料重量6%的PVA水溶液造粒；
e、将造粒干压成型为圆柱形生坯,控制成型压力为200～300Mpa；将生坯装入烧结钵中，用步骤d粉碎过程所产生的粉碎尾料粉埋盖生坯表面；
f、将装好生坯的烧结钵，在900℃～1000℃的烧结炉中密封保温烧结2～3小时，成圆柱形烧结陶瓷；
g、将烧结陶瓷放入球磨罐中抛光，得到尺寸一致、表面光滑的圆柱形陶瓷；在圆柱形陶瓷两端的表面镀上一层0.02±0.001μm的纯银，放入刚玉匣钵中，再次在600℃～750℃的烧结炉中保温烧结30分钟，得圆柱形镀银陶瓷；
h、在圆柱形镀银陶瓷其中的一端镀银面上做电极标识，按标识一致的方向将100个以上的圆柱形镀银陶瓷并联排列在极化槽夹上，极化槽夹放入120℃～140℃的硅油中,并对上述的圆柱形镀银陶瓷加3Kv/mm～8Kv/mm的高压电场，极化30分钟；即得燃气点火压电陶瓷。
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