CN110788707A - 一种利用磨削提高压电陶瓷压电性能及机械性能的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于压电陶瓷加工技术领域，涉及一种利用磨削提高压电陶瓷压电性能及机械性能的方法；步骤为：选取压电陶瓷固定于工作台，根据压电陶瓷的厚度选择相应目数的砂轮进行顺磨磨削；当压电陶瓷的厚度大于1mm时，采用300～400目的砂轮进行磨削；厚度为0.5～1mm时，采用400～500目的砂轮进行磨削；厚度小于0.5mm时，采用500～600目的砂轮进行磨削；磨削完成后取下压电陶瓷，放入水中煮沸，再经温水漂洗、烘干得到成品，即为磨削完成后的压电陶瓷薄片。本发明实现了对副作用磨削应力的利用，利用磨削应力使得压电陶瓷发生从四方相到正交相的转变，增强陶瓷压电性能；同时提高陶瓷断裂强度、断裂韧性和陶瓷致密性。

Description

一种利用磨削提高压电陶瓷压电性能及机械性能的方法
技术领域
本发明属于压电陶瓷的加工技术领域，具体涉及一种利用磨削提高压电陶瓷压电性能及机械性能的方法。
背景技术
压电陶瓷是能将机械能与电能相互转化的一类功能陶瓷材料，其制作的驱动器或传感器由于具有控制精度高、响应速度快、线性度好、功耗低等优点在电子、通信、医学、精密加工等诸多领域得到了越来越广泛的应用。但是随着科学技术的发展，单层压电陶瓷器件驱动电压高、位移小等缺点，已无法满足当前机械电子类元器件的片式化、集成化、高性能化等使用需求。为了克服这些缺点，多层压电陶瓷器件应运而生并成为研究热点。多层器件采用压电陶瓷薄片作为原部件，采取机械上串联，电学上并联的结构进行粘结叠加，实现降低电压，加大位移的目的。陶瓷片越薄，驱动控制电压可以越低，因此制备高性能的陶瓷薄片的方法成为这一领域的核心关键技术，同时也成为叠层式驱动器发展的瓶颈问题。
目前，主要采用流延法制备陶瓷薄片、低温共烧技术制备独石式压电元器件。但是，采用低温烧结往往需要将其烧结温度降至900℃左右，制备成本较高。另外，流延法相对于传统压片陶瓷密度、机械强度及压电性能均有所降低，这极大影响了驱动器的机械性能，在一些大位移大推力的使用场合，其应用受限，甚至存在无法使用的情况。另一种常用加工压电陶瓷薄片的机械方法是机械切割，其缺点是切割出的压电陶瓷厚度受刀具限制，一般设备很难切割至0.5mm以下，而且废品率较高，难以广泛应用和推广。磨削作为机械加工技术中常用的一种精加工方法，通常用于改变工件材料的表面形貌及表面质量，在磨削过程中产生的应力通常属于其副作用，一般情况下都尽量降低或者避免，目前，在实际生产中未见到对磨削应力加以利用。
发明内容
针对上述现有技术存在的不足，本发明旨在解决所述问题之一；提供一种利用磨削提高压电陶瓷压电性能及机械性能的方法，利用的是磨削加工过程中的副作用磨削应力产生压电陶瓷相变以提高压电陶瓷的压电性能及机械性能；选用合理的磨削深度、磨削速度和磨削方式，针对采用传统固相反应法制备的性能优良的压电陶瓷，使得压电陶瓷表面产生微观塑变，提高陶瓷断裂强度和断裂韧性；同时，磨削压应力导致压电陶瓷发生从四方相到正交相的转变，增强陶瓷压电性能。
为了实现以上目的，本发明的具体步骤如下：
(1)选取压电陶瓷固定于工作台，根据压电陶瓷的厚度选择相应目数的砂轮进行磨削；
(2)当压电陶瓷的厚度大于1mm时，采用300～400目的砂轮进行顺磨磨削；
(3)当压电陶瓷的厚度为0.5～1mm时，采用400～500目的砂轮进行顺磨磨削；
(4)当压电陶瓷的厚度小于0.5mm时，采用500～600目的砂轮进行顺磨磨削；
(5)磨削完成后，从工作台上取下压电陶瓷；然后将压电陶瓷放入水中煮沸，再经温水漂洗后在烘箱中烘干得到成品，即为磨削完成后的压电陶瓷薄片。
被银极化及性能检测：
A、取步骤(5)得到的压电陶瓷进行被银极化，得到被银电极；被银电极并在600-700℃烧结保温15-20分钟，在80-100℃硅油中加2-4KV/mm电压极化20-35分钟；
B、检测：用阿基米德法测量密度；用ZJ-3A型准静态仪测量压电常数d33；用D/max2500PC射线衍射仪对压电陶瓷样品进行XRD物相分析；用扫描电镜分析表面形貌；用铁电分析仪测试其应变特性。
优选的，步骤(1)中所述压电陶瓷固定于工作台的具体操作为：采用结构胶将压电陶瓷粘在玻璃板上，再将玻璃板通过定位块固定在磨床工作台上。
优选的，步骤(2)中所述砂轮的转速为2000～3000转/分；所述每次磨削深度0.3～0.5mm。
优选的，步骤(3)中所述砂轮的转速为2500～3500转/分；所述每次磨削深度0.1～0.3mm。
优选的，步骤(4)中所述砂轮的转速为3000～4000转/分；所述每次磨削深度低于0.1mm，但不为0。
优选的，步骤(1)～(4)中所述砂轮为金刚石砂轮；所述的顺磨即为砂轮转向与工件前进方向一致；所述顺磨后获得显微塑变压电陶瓷表面，提高压电陶瓷的机械性能。
优选的，步骤(5)中所述温水的温度为40～50℃，漂洗的时间为5-10分钟；所述在烘箱中烘干的温度为80～120℃。
有益效果：
(1)磨削作为机械加工技术中常用的一种精加工方法，通常用于改变工件材料的表面形貌及表面质量，在磨削过程中产生的应力通常属于其副作用，一般情况下都尽量降低或者避免，然而本发明实现了对副作用磨削应力的利用，利用磨削应力使得压电陶瓷发生从四方相到正交相的转变，增强陶瓷压电性能。
(2)本发明采用顺磨操作是基于本实验所确定的方式，有突出的作用；顺磨操作更好的使压电陶瓷表面产生微观塑变，使表面应力呈压应力状态，提高陶瓷断裂强度和断裂韧性，同时提高陶瓷致密性。
(3)本发明采用半精磨和精磨结合使得陶瓷内应力分布更加均匀，电陶瓷稳定性得到提高，使用寿命得到提高；同时，可制备厚度低于0.08mm高性能压电陶瓷薄片，解决叠层式驱动器的发展的瓶颈问题。
(4)本发明通过调整磨削深度和砂轮转速，可以绝大限度的降低废品率，可以在玻璃板上粘结多片陶瓷同时磨削，提高生产效率，适于大规模生产。
(5)本发明采用普通磨床即可，不须专用夹具，步骤简单，成本低廉。
附图说明
图1为实施例1制备的KNNS(铌酸钠钾)压电陶瓷在精加工后放大5000倍扫描电镜图。
图2中(a)为KNNS(铌酸钠钾)压电陶瓷在磨削前与磨削后的X射线衍射谱图；其中2mm和1.5mm为未磨削陶瓷，0.5mm、0.4mm和0.3mm均为已磨削陶瓷；(b)图为(a)图中42-48度区间X射线衍射谱图的放大图。
图3为压电陶瓷磨削前和磨削后陶瓷应变对比图；其中1.5mm是磨削前陶瓷，0.4mm是磨削后陶瓷。
具体实施方式
下面通过实例进一步阐述本发明，但本发明的保护范围并不受限于这些实例。
实施例1：
一种提高压电陶瓷薄片压电性能的机械加工方法，选用普通磨床，采用金刚石砂轮，以传统固相反应法制备的无铅压电陶瓷铌酸钾钠为磨削对象，压电陶瓷的厚度为2mm，具体包括以下内容：
(1)首先采用结构胶乐泰315将压电陶瓷粘在一玻璃板上，再将玻璃板通过定位块固定在磨床工作台上；
(2)因为压电陶瓷的厚度为2mm，采用300目的金刚石，采用顺磨，每次磨削深度0.3mm，将陶瓷磨削至1mm；
(3)选取500目的金刚石砂轮，采用顺磨的方式继续磨削压电陶瓷，每次磨削深度0.1mm，将陶瓷磨削至0.5mm；
(4)然后，从工作台上拆下玻璃板，采用火烤方式让压电陶瓷自然脱落；再放入水中煮沸脱胶，脱胶后放入40℃的温水漂洗5分钟，在100℃烘箱中烘干，得到成品，即为磨削完成后的压电陶瓷薄片。
被银极化及性能检测：
(A)被银极化：被银电极并在650℃烧结保温15分钟，在80-℃硅油中加2KV/mm电压极化30分钟；
(B)检测：用阿基米德法测量密度；用ZJ-3A型准静态仪测量压电常数d33；用D/max2500PC射线衍射仪对陶瓷样品进行XRD物相分析；用扫描电镜分析表面形貌。
经检测，原材料2.0mm压电陶瓷磨削至0.5mm后，其密度由原来4.60g/cm3变为4.61g/cm3，压电常数d33有198PC/N增加到268PC/N；见表1。
实施例2：
一种提高压电陶瓷薄片压电性能的机械加工方法，选用普通磨床，采用金刚石砂轮，以传统固相反应法制备的无铅压电陶瓷铌酸钾钠为磨削对象，压电陶瓷的厚度为1.5mm，具体包括以下内容：
(1)首先采用结构胶乐泰315将压电陶瓷粘在一玻璃板上，再将玻璃板通过定位块固定在磨床工作台上；
(2)因为压电陶瓷的厚度为1.5mm，采用350目的金刚石，采用顺磨，每次磨削深度为0.3mm，将陶瓷磨削至1mm；
(3)选取500目的金刚石砂轮，采用顺磨的方式继续磨削压电陶瓷，每次磨削深度为0.2mm，将陶瓷磨削至0.4mm；
(4)然后，从工作台上拆下玻璃板，采用火烤方式让压电陶瓷自然脱落；再放入水中煮沸脱胶，脱胶后放入50℃的温水漂洗5分钟，在80℃烘箱中烘干,得到成品，即为磨削完成后的压电陶瓷薄片。
被银极化及性能检测：
(A)被银极化：被银电极并在650℃烧结保温15分钟，在90-℃硅油中加3KV/mm电压极化30分钟；
(B)检测：用阿基米德法测量密度；用ZJ-3A型准静态仪测量压电常数d33；用D/max2500PC射线衍射仪对陶瓷样品进行XRD物相分析；用扫描电镜分析表面形貌。
经检测，原材料1.5mm压电陶瓷磨削至0.4mm后，其密度由原来4.56g/cm3变为4.62g/cm3，压电常数d33有198PC/N增加到270PC/N。见表1。
实施例3：
一种提高压电陶瓷薄片压电性能的机械加工方法，选用普通磨床，采用金刚石砂轮，以传统固相反应法制备的无铅压电陶瓷铌酸钾钠为磨削对象，压电陶瓷的厚度为1.5mm，具体包括以下内容：
(1)首先采用结构胶乐泰315将压电陶瓷粘在一玻璃板上，再将玻璃板通过定位块固定在磨床工作台上；
(2)因为压电陶瓷的厚度为1.5mm，采用400目的金刚石，采用顺磨，每次磨削深度0.5mm，将陶瓷磨削至1mm；
(3)选取500目的金刚石砂轮，采用顺磨的方式继续磨削压电陶瓷，每次磨削深度0.2mm，将陶瓷磨削至0.3mm；
(4)然后，从工作台上拆下玻璃板，采用火烤方式让压电陶瓷自然脱落；再放入水中煮沸脱胶，脱胶后放入40℃的温水漂洗10分钟，在120℃烘箱中烘干,得到成品，即为磨削完成后的压电陶瓷薄片。
被银极化及性能检测：
(A)被银极化：被银电极并在650℃烧结保温15分钟，在100℃硅油中加4KV/mm电压极化30分钟；
(B)检测：用阿基米德法测量密度；用ZJ-3A型准静态仪测量压电常数d33；用D/max2500PC射线衍射仪对陶瓷样品进行XRD物相分析；用扫描电镜分析表面形貌。
表1室温下测量的压电陶瓷的物理性能
Figure BDA0002256684450000051
通过表1的检测结果可以看出，原材料1.5mm压电陶瓷磨削至0.4mm后，其密度由原来4.56g/cm3变为4.62g/cm3，压电常数d33有198PC/N增加到270PC/N。
图1为KNNS(铌酸钠钾)压电陶瓷在精加工后放大5000倍扫描电镜图，从图中可见，陶瓷经磨削产生了明显的平整的磨痕，未产生大颗粒脆性剥落；证明陶瓷在磨削过程中产生了显微塑变，在陶瓷表面产生压应力，其对于陶瓷的自身断裂强度和断裂韧性会有提高。
图2为KNNS(铌酸钠钾)压电陶瓷在磨削前与磨削后的X射线衍射谱图；其中2mm和1.5mm陶瓷未磨削，0.5mm、0.4mm和0.3mm都是已磨削陶瓷。由放大图(b)图可见磨削前的45度附近衍射峰左边低右边高，磨削后的陶瓷变为左边高右边低，这表明，在磨削过程中陶瓷发生了由四方相到正交相的转变。
图3为陶瓷磨削前和磨削后陶瓷应变对比图。其中1.5mm是磨削前，0.4mm是磨削后。由图可见，经过磨削后的陶瓷，在相同电场激励下，其应变得到大大提高。
本发明实施实例所用压电陶瓷材料为KNN系无铅压电陶瓷，顺应当前国际环保趋势，采用本发明方法不仅得到了薄片陶瓷，其压电及机械性能不降反升，解决了KNN系无铅压电陶瓷在小型化、片式化、集成化、高性能化的压电驱动器、变压器中应用的瓶颈问题，在航空航天、电子、通信、医学、精密加工等诸多领域都有广泛应用，具有很好的实际应用价值和商业价值，经济和社会效益显著。
综上所述；本发明旨在利用磨削过程中产生的内应力促使相变进而提高压电性能，合理控制磨削参数使陶瓷表面产生显微塑变，使得表面呈压应力状态，提高压电陶瓷机械性能及密度，提高压电陶瓷使用寿命；利用简单的磨削处理，实现了压电陶瓷压电性能及机械性能的提高。同时需要指出的是，单纯的磨削工艺过程并不是本申请创新的内容。
说明：以上实施例仅用以说明本发明而并非限制本发明所描述的技术方案；因此，尽管本说明书参照上述的各个实施例对本发明已进行了详细的说明，但是本领域的普通技术人员应当理解，仍然可以对本发明进行修改或等同替换；而一切不脱离本发明的精神和范围的技术方案及其改进，其均应涵盖在本发明的权利要求范围内。

Claims (8)

1.一种利用磨削提高压电陶瓷压电性能及机械性能的方法，其特征在于，所述方法利用的是磨削加工过程中的副作用磨削应力产生压电陶瓷相变以提高压电陶瓷的压电性能及机械性能，具体包括以下步骤：
(1)选取压电陶瓷固定于工作台，根据压电陶瓷的厚度选择相应目数的砂轮进行顺磨磨削；
(2)当压电陶瓷的厚度大于1mm时，采用300～400目的砂轮进行顺磨磨削；
(3)当压电陶瓷的厚度为0.5～1mm时，采用400～500目的砂轮进行顺磨磨削；
(4)当压电陶瓷的厚度小于0.5mm时，采用500～600目的砂轮进行顺磨磨削；
(5)磨削完成后，从工作台上取下压电陶瓷；然后将压电陶瓷放入水中煮沸，再经温水漂洗后在烘箱中烘干得到成品，即为磨削完成后的压电陶瓷薄片。
2.根据权利要求1所述的利用磨削提高压电陶瓷压电性能及机械性能的方法，其特征在于，步骤(1)中所述压电陶瓷固定于工作台的具体操作为：采用结构胶将压电陶瓷粘在玻璃板上，再将玻璃板通过定位块固定在磨床工作台上。
3.根据权利要求1所述的利用磨削提高压电陶瓷压电性能及机械性能的方法，其特征在于，步骤(2)中所述砂轮的转速为2000～3000转/分；所述每次磨削的深度为0.3～0.5mm。
4.根据权利要求1所述的利用磨削提高压电陶瓷压电性能及机械性能的方法，其特征在于，步骤(3)中所述砂轮的转速为2500～3500转/分；所述每次磨削的深度为0.1～0.3mm。
5.根据权利要求1所述的利用磨削提高压电陶瓷压电性能及机械性能的方法，其特征在于，步骤(4)中所述砂轮的转速为3000～4000转/分；所述每次磨削深度低于0.1mm，但不为0。
6.根据权利要求1所述的利用磨削提高压电陶瓷压电性能及机械性能的方法，其特征在于，步骤(1)～(4)中所述砂轮为金刚石砂轮；所述的顺磨即为砂轮转向与工件前进方向一致；所述顺磨后获得显微塑变压电陶瓷表面，提高压电陶瓷的机械性能。
7.根据权利要求1所述的利用磨削提高压电陶瓷压电性能及机械性能的方法，其特征在于，步骤(5)中所述温水的温度为40～50℃，漂洗的时间为5-10分钟；所述在烘箱中烘干的温度为80～120℃。
8.根据权利要求1～7任意一项所述的方法制备的压电陶瓷薄片，其特征在于，所述压电陶瓷薄片从四方相转变为正交相。
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