PZT压电陶瓷蜂鸣片工艺规划设计

PZT压电陶瓷蜂鸣片工艺规划设计PZT压电蜂鸣片生产工艺说明书指导教师：____学院：__班级：__学号：________姓名：_______二零一四年一月目录前言一、压电陶瓷蜂鸣片简介…………………………………………………3二、压电蜂鸣片选型及特点………………………………………………3三、压电蜂鸣器的应用……………………………………………………4第一章设计任务1本课程设计意义………………………………………………………………52设计任务和要求………………………………………………………………53设计内容………………………………………………………………………6第二章设计数据及计算1原始数据………………………………………………………………………62数据计算………………………………………………………………………73纯度和杂质问题………………………………………………………………8第三章PZT压电蜂鸣片的生产工艺流程图………………………………………………………………………91配料……………………………………………………………………………92混合……………………………………………………………………………103预烧……………………………………………………………………………104粉碎……………………………………………………………………………115成型……………………………………………………………………………116排胶……………………………………………………………………………127烧结……………………………………………………………………………138清洗及被银……………………………………………………………………139极化……………………………………………………………………………1410测试…………………………………………………………………………1511焊接…………………………………………………………………………16第四章设备选型1选型原则……………………………………………………………………162主要设备选型………………………………………………………………17结语………………………………………………………………………………20参考文献………………………………………………………………………20前言一、压电陶瓷蜂鸣片简介压电蜂鸣器是一种以压电陶瓷作为电声换能器的发声体，这种器件的核心是以压电陶瓷薄片粘贴在金属片上的换能换件，即压电蜂鸣片。压电蜂鸣器无射频噪声、低功耗等特点使其备受重视，发展非常迅速。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。多谐振荡器由晶体管或集成电路构成,当接通电源后(~15V直流工作电压)，多谐振荡器起振，～，阻抗匹配器推动压电蜂鸣片发声。二、压电蜂鸣片选型及特点驱动方式：若无法提供频率信号给蜂鸣器工作，可考虑用内含驱动线路，给予直流电压即可。另有直音，快断音，慢断音不同的声响信号；（其方法有两种：自激振荡是利用在谐振点的振荡而产生声波的方式；他激振荡是在远离谐振点的频率下产生声波的方式）尺寸大小：尺寸会影响频率，小尺寸频率会较高；电压大小：以VO-P计算，以方波驱动，电压越高，音量越高pinpitch：压电式蜂鸣器的规格众多，往往不易找到一模一样的规格，可先挑pitch一样，频率接近的试用。压电蜂鸣器和其他蜂鸣器比较具有如下优点：（1）因无可动触点部分，因此寿命长、可靠性高，连续使用可达10000小时以上，是半永久性的器件；（2）不产生飞弧或者射频噪声，对其他线路无干扰；（3）不会因松动而引起大的振动；（4）用电子线路控制，所以能发出多种悦耳的声音及模拟声、断续声。音色纯正，不易被噪声所覆盖；（5）用电压激励，所以消耗电流小，一般在20mA以下，不会超过100mA；（6）小型大音量，音量可达到70分贝/20cm，而元件厚度仅为1mm以下；（7）工作温度范围宽；（8）便于安装，而且无电磁线圈和动圈，不必担心绝缘恶化，并无漏电的可能。三、压电蜂鸣器的应用压电蜂鸣器实际上有三种商品形式，即压电蜂鸣器复合体，压电蜂鸣器发声体和压电蜂鸣器，以适应市场上的不同需要。不管何种形式，其用途都离不开报警、判断和通知三种。报警用的压电蜂鸣器用于火灾、烟浓度、漏气、防盗及汽车用的报警，通知用的压电蜂鸣器在探鱼机、仪器、医疗设备、自动售货机、洗衣机、电炉等作为通知使用，比光指示更为有利，另外，具有模拟声、复合声的压电蜂鸣器还可用于玩具，电视游戏等方面。第一章设计任务1本课程设计意义1．了解陶瓷各种工艺实验在生产中的作用与实际意义；2．掌握陶瓷主要工艺流程的原理、方法与一定的操作技能；3．通过陶瓷工艺设计实习了解陶瓷产品的设计程序与工艺过程；4．培养学生综合设计工艺生产流程的能力；5.掌握坯料配方设计和研究方法，提高分析问题和解决问题的能力；6.为毕业论文实验、进一步深造获从事专业技术工作奠定良好的基础。关于陶瓷工艺课程设计的研究意义：陶瓷工艺设计是一项实践性极强的教学活动，研究设计性的综合程序给学生较大的自由度，学生可以充分发挥自己的聪明才智和创新能力，自己设计新的工艺流程。通过陶瓷工艺设计使学生掌握从原料的选择、配方的确定与计算、粉体的制备、成型、干燥、烧成等一系列陶瓷工艺过程，同时还要掌握陶瓷产品的性能测试和产品的评价。通过本实习课的学习，使学生更好的理解《陶瓷工艺学》课程理论，掌握进行陶瓷工艺和性能科学研究的基本原理和方法，培养了学生的创新意识、创新能力，为学生进行毕业论文学习乃至毕业后尽快适应实际工作打下良好的基础。2设计任务和要求主要任务是设计一个能适用于生产的，PZT压电陶瓷蜂鸣片的合成工艺及车间工艺流程。要求：（1）掌握在成分设计、原料处理、工艺流程选择、工艺参数确定、设备选型和制备效果评价等方面相关的计算方法。（2）掌握数据处理的原则和方法，锻炼综合分析及撰写设计说明书的能力。（3）设计说明书字数不少于六千字，用专用稿纸书写，封面单独一页。（4）各人独立完成，不得互相抄袭，如有抄袭或大部分雷同者，一律按不及格处理。3设计内容（1）按所定材料化学组成和产品任务进行设计；（2）陶瓷工艺设计的目的和意义；（3）原料的选择、计算及加工处理；（4）工艺原理运用、工艺流程选择与工艺方法确定；（5）工艺参数确定；（6）主要设备的选型；（7）对给定材料的制备工艺的设计进行必要的分析与讨论。第二章设计数据及计算1原始数据PZT压电陶瓷蜂鸣器片（φ10mm×厚2mm，，年产500万片，以300工作日计算）压电陶瓷分子式为：()O3+%Cr2O3+%Fe2O3原料纯度铅丹Pb3O498%碳酸锶SrCO397%二氧化锆ZrO299.5%二氧化钛TiO299%三氧化二铁Fe2O398.9%三氧化二铬Cr2O399%2数据计算配料是制备压电陶瓷的基础，原料的选择和处理是一个重要步骤，关系到整个制备过程和最后样品的性能，选用原料时应注意纯度、细度和活性。纯度以不引入有害杂质为原则，碱土金属氧化物更易吸潮，且预烧时碳酸盐分解生成的氧化物活性大，因此，一般选用碱金属碳酸盐作原料。根据配方或分子式选择所用原料，计算称量。()O3的分子量：1mol坯料的重量为：氧化物摩尔数氧化物相对分子量氧化物重量1mol坯料的重量Pb3O4SrCO3ZrO2TiO20.95/30.050.520.48685.60147.63123.2279.87217.117.3864.0738.34326.90各主要原料所需的质量百分数：Pb3O4：÷=%SrCO3：÷=%ZrO2：÷=%TiO2：÷=%按原料纯度计算原料用量：以100g坯料为基准，每天坯料用量（按300天每年）：×5000000÷300=25000gPb3O4SrCO3ZrO2TiO2Cr2O3Fe2O3纯原料需要量66.412.2619.6011.730.50.3原料纯度%989799.5999998.9实际原料用量67.762.3319.7011.850.510.303每天100g的坯料实际配料量，g67.762.3319.7011.850.5050.303最后各原料所需要的量：Pb3O4：×250×（%%）=SrCO3：×250×（%%）=ZrO2：×250×（%%）=TiO2：×250×（%%）=Cr2O3：×250=Fe2O3：×250=工艺流程图1配料配料是制备压电陶瓷的基础，原料的选择和处理是一个重要步骤，关系到整个制备过程和最后样品的性能，选用原料时应注意纯度、细度和活性。纯度以不引入有害杂质为原则，碱土金属氧化物更易吸潮，且预烧时碳酸盐分解生成的氧化物活性大。进行料前处理，除杂去潮，然后按配方比例称量各种原材料，注意少量的添加剂要放在大料的中间。2混合配料后需将原料混合均匀，混合的目的是将各种原料混匀磨细，为预烧进行完全的固相反应准备条件。一般采取干磨或湿磨的方法。小批量可采取干磨，大批量可采取球磨或气流粉碎的方法，效率较高。此次制作PZT压电陶瓷原料的混合是采用球磨机进行球磨混合。3预烧此道工序很重要，会直接影响烧结条件及最终产品的性能。预烧过程是使原料间发生化学反应以生成所需产物的过程，由于反应是在低于熔点的温度下通过原子扩散完成的，又称之为固相反应。固相法利用固态物质间所发生的各种固态反应来制取粉末。在制备陶瓷粉体原料中常用的固态反应包括化合反应、热分解反应和氧化物还原反应，但这几种反应在实际工艺过程中经常同时发生。使用固态法制备的粉末有时不能直接作为原料使用，需进一步加以粉碎。固相法在应用于锆钛酸铅(PZT)粉体制备时，也称为混合氧化物合成方法，即人们通常所说的传统固相烧结法，在PZT陶瓷工业化生产中，此方法是已经使用的合成方法中最基本的方法。PZT是由氧化物之间的固体反应获得，在氧化物反应过程中，首先组成氧化物之间相互反应生成PbTiO3和ZrO2的固溶体，然后均匀转化为PZT相。在烧结时，若选择的预烧温度太低，则化学反应不充分；若温度太高，则预烧后的大圆片硬度很大，难于粉碎。采用一般陶瓷工艺，粉料需经850℃预烧2小时。在预烧过程中，部分氧化铅会挥发。因此，为了保证产品质量，需要在预烧时用氧化铝坩埚进行密封处理。反应过程：反应A：350—680℃23PbOTiOPbTiO反应B：625—800℃3213()xxPbTiOPbOZrOPbZrTiO反应C：800℃以上,,13331()()xxxxPbZrTiOPbTiOPbZrTiO加热条件升温速率：视炉内装料多少而定。最高温度：850℃左右保温时间：650℃左右保温1-2小时，以生成PT。850℃左右保温2小时，以生成PZT。降温速率：关电随炉冷却，至200℃以下出炉。炉内气氛：以中性或氧化气氛为好；还原气氛会导致料粉还原发黑，必须严加控制。硅碳棒炉好于电阻丝炉。4粉碎粉碎也可以成为二次磨细，目的是将预烧过的压电陶瓷粉末再细振混匀磨细，为成瓷均匀性能一致打好基础。压电陶瓷片的制作是将预烧后的粉料放入研钵中研磨，再放入球磨罐中在球磨机上球磨12小时，以便成型和烧结成样品。瓷料粒径分布差，成型后的膜带致密度差，将影响到烧成后的瓷片致密度，从而使陶瓷片的电性能变坏。此外，原材料或瓷料的颗粒度愈大，合成或烧结速率愈慢，导致合成或烧结温度愈高，所得的瓷片致密度愈差，使压电陶瓷片机电性能恶化，从而影响压电陶瓷蜂鸣片的性能。对此，可以相应地应改善球磨条件，采用效率高的搅拌球磨机。5成型：（1）粘剂配比：聚乙烯醇%蒸馏水%甘油%（2）配制方法：聚乙烯醇+蒸馏水→拌和→隔水烧至60~70℃（隔层内水沸腾）→间歇搅拌至完全融开→加甘油搅拌→至完全融洽，即刻拿出→纱布过滤（1）成原料（2）按，原料：粘剂=100：18加入粘剂(3)将调好的料放在轧膜机上进行粗轧至不粘糊轧膜棍上（4)将粗轧好的料进行细轧。经常进行90。旋转，使瓷料轧至均匀且无气泡时，由厚到薄，轧成片状。（5)精轧时，将条伏轧至冲片时所需的厚度。（6)注意轧辊表面清洁。将轧膜好的片条，按照产品要求的大小直径以及厚度进行冲片成型，然后送至烧结、排粘