PZT压电陶瓷蜂鸣片基本工艺设计.doc
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1、PZT压电蜂鸣片生产工艺说明书指导老师:_ _ _学 院:_ _班 级:_ _学 号:_ _姓 名:_ _ 二零一四 年 一 月 目 录前 言一、压电陶瓷蜂鸣片介绍3二、压电蜂鸣片选型及特点3三、压电蜂鸣器应用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 纯度和杂责问题8第三章 PZT压电蜂鸣片生产工艺步骤图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 选型标准162 关键设备选型17结语20参考文件20前 言一、压电陶瓷蜂鸣片介绍
2、压电蜂鸣器是一个以压电陶瓷作为电声换能器发声体,这种器件关键是以压电陶瓷薄片粘贴在金属片上换能换件,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,发展很快速。 压电式蜂鸣器关键由多谐振荡器,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组成,当接通电源后(1.515V直流工作电压),多谐振荡器起振,输出1.52.5kHZ音频信号,阻抗匹配器推进压电蜂鸣片发声。 二、压电蜂鸣片选型及特点1.压电蜂鸣器选型驱动方法: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,给直流电压即可。另有直音,快断音,慢断音不一样声响信号;(其方法有两种:自激振荡是利用在
3、谐振点振荡而产生声波方法;她激振荡是在远离谐振点频率下产生声波方法)尺寸大小:尺寸会影响频率,小尺寸频率会较高;电压大小:以V O-P计算,以方波驱动,电压越高,音量越高pin pitch:压电式蜂鸣器规格众多,往往不易找到一模一样规格,可先挑pitch一样,频率靠近试用。2.压电蜂鸣器特点压电蜂鸣器和其它蜂鸣器比较含有以下优点:(1)因无可动触点部分,所以寿命长、可靠性高,连续使用可达10000小时以上,是半永久性器件;(2)不产生飞弧或射频噪声,对其它线路无干扰;(3)不会因松动而引发大振动;(4)用电子线路控制,所以能发出多个悦耳声音及模拟声、断续声。音色纯正,不易被噪声所覆盖;(5)用
4、电压激励,所以消耗电流小,通常在20mA以下,不会超出100mA;(6)小型大音量,音量可达成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,无须担心绝缘恶化,并无漏电可能。三、压电蜂鸣器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,以适应市场上不一样需要。不管何种形式,其用途全部离不开报警、判定和通知三种。报警用压电蜂鸣器用于火灾、烟浓度、漏气、防盗及汽车用报警,通知用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,含有模拟声、复合声压电蜂鸣器
5、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了解陶瓷多种工艺试验在生产中作用和实际意义;2掌握陶瓷关键工艺步骤原理、方法和一定操作技能;3经过陶瓷工艺设计实习了解陶瓷产品设计程序和工艺过程;4培养学生综合设计工艺生产步骤能力;5. 掌握坯料配方设计和研究方法,提升分析问题和处理问题能力;6. 为毕业论文试验、深入深造获从事专业技术工作奠定良好基础。相关陶瓷工艺课程设计研究意义:陶瓷工艺设计是一项实践性极强教学活动,研究设计性综合程序给学生较大自由度,学生能够充足发挥自己聪慧才智和创新能力,自己设计新工艺步骤。经过陶瓷工艺设计使学生掌握从原料选择、配方确实定和计算、粉体制备、
6、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性能测试和产品评价。经过本实习课学习,使学生愈加好了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基础原理和方法,培养了学生创新意识、创新能力,为学生进行毕业论文学习乃至毕业后立即适应实际工作打下良好基础。2设计任务和要求关键任务是设计一个能适适用于生产,PZT压电陶瓷蜂鸣片合成工艺及车间工艺步骤。要求:(1)掌握在成份设计、原料处理、工艺步骤选择、工艺参数确定、设备选型和制备效果评价等方面相关计算方法。(2)掌握数据处理标准和方法,锻炼综合分析及撰写设计说明书能力。(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。
7、(4)各人独立完成,不得相互剽窃,如有剽窃或大部分雷同者,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)陶瓷工艺设计目标和意义;(3)原料选择、计算及加工处理;(4)工艺原理利用、工艺步骤选择和工艺方法确定;(5)工艺参数确定;(6)关键设备选型;(7)对给定材料制备工艺设计进行必需分析和讨论。第二章 设计数据及计算1原始数据PZT压电陶瓷蜂鸣器片(10mm厚2mm,每片重约1.5克,年产500万片,以300工作日计算)压电陶瓷分子式为:Pb0.95Sr0.05(Zr0.52Ti0.48)O3+0.5重量%Cr2O3+0.3重量% Fe2O3 原 料纯 度铅丹P
8、b3O4 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%2数据计算配料是制备压电陶瓷基础,原料选择和处理是一个关键步骤,关系到整个制备过程和最终样品性能,选择原料时应注意纯度、细度和活性。纯度以不引入有害杂质为标准,碱土金属氧化物更易吸潮,且预烧时碳酸盐分解生成氧化物活性大,所以,通常选择碱金属碳酸盐作原料。依据配方或分子式选择所用原料,计算称量。2.1 Pb0.95Sr0.05(Zr0.52Ti0.48)O3分子量:1mol坯料重量为:氧化物摩尔数氧化物相对分子量氧化物重量1mol坯料重量Pb3O
9、4SrCO3ZrO2TiO20.95/30.050.520.48685.60147.63123.2279.87217.117.3864.0738.34326.902.2 各关键原料所需质量百分数: Pb3O4:217.11326.90=66.41%SrCO3:7.38326.90=2.26%ZrO2:64.07326.90=19.60%TiO2:38.34326.90=11.73%2.3 按原料纯度计算原料用量:以100g坯料为基准,天天坯料用量(按300天每十二个月):1.55000000300=25000gPb3O4 SrCO3 ZrO2 TiO2 Cr2O3 Fe2O3纯原料需要量 66
10、.41 2.26 19.60 11.73 0.5 0.3原料纯度% 98 97 99.5 99 99 98.9实际原料用量 67.76 2.33 19.70 11.85 0.51 0.303天天100g坯料实际配料量,g 67.76 2.33 19.70 11.85 0.505 0.3032.4 最终各原料所需要量:Pb3O4:67.76250(1-0.5%-0.3%)=16804.48gSrCO3:2.33250(1-0.5%-0.3%)=577.84gZrO2:19.7250(1-0.5%-0.3%)=4885.6gTiO2:11.85250(1-0.5%-0.3%)=2938.8gCr2
11、O3:0.505250=126.25gFe2O3:0.303250=75.75g天天需总量:16804.48+577.84+4885.6+2938.8+126.25+75.75=25408.72g3.纯度和杂责问题原料是制备压电陶瓷基础。选择原料通常应注意其化学组成和物理状态。3.1 纯度对纯度要求应适度。高纯原料,价格昂贵,烧结温度高,温区窄。纯度稍低原料,有杂质可起矿化和助熔作用,反而使烧结温度较低,且温区较宽。过低纯度原料杂质多,不宜采取。3.2 杂质含量压电陶瓷材料中杂质许可量关键依据以下三点原因决定:(1) 杂质类型: 有害杂质:对材料绝缘、介电性等影响极大杂质,尤其是异价离子。如B
12、、C、P、S、Al等,愈少愈好; 有利杂质:和材料A、B位离子电价相同、半径靠近,能形成置换固溶杂质。如Ca2+、Sr2+、Ba2+、Mg2+、Sn4+等离子,通常在0.20.5%范围内,坏影响不大,甚至有利。(2) 材料类型: 接收型压电陶瓷材料:已引入了降低电导率和老化率高价施主杂质,原料中在0.5%以内杂质不足以显著影响施主杂质既定作用; 发射型压电陶瓷材料:要求低机电损耗,所以配料中杂质总量,愈少愈好,通常期望在0.05%以下。对于为了提升其它性能参数有意添加物,另当别论。(3) 原料在配方中百分比:在PZT配方中,百分比大原料Pb3O4、ZrO2、TiO2分别占重量比60%、20%和
13、10%左右,若杂质多,引入杂质总量也多。所以,要求杂质总含量均不超出2%,即要求纯度均在98%以上。配方中百分比小其它原料,杂质总含量可稍高部分,通常均在3%以下,即要求纯度均在97%以上,特殊要求例外。3.3 烘干为了不影响配料正确性,含水原料必需进行烘干脱水处理。通常在电热式干燥箱中干燥。温度110120,时间不少于4小时,直至无水分为止。第三章 PZT压电蜂鸣片生产工艺步骤图1 配料配料是制备压电陶瓷基础,原料选择和处理是一个关键步骤,关系到整个制备过程和最终样品性能,选择原料时应注意纯度、细度和活性。纯度以不引入有害杂质为标准,碱土金属氧化物更易吸潮,且预烧时碳酸盐分解生成氧化物活性大
14、。进行料前处理,除杂去潮,然后按配方百分比称量多种原材料,注意少许添加剂要放在大料中间。2 混合配料后需将原料混合均匀,混合目标是将多种原料混匀磨细,为预烧进行完全固相反应准备条件。通常采取干磨或湿磨方法。小批量可采取干磨,大批量可采取球磨或气流粉碎方法,效率较高。此次制作PZT压电陶瓷原料混合是采取球磨机进行球磨混合。3 预烧此道工序很关键,会直接影响烧结条件及最终产品性能。 预烧过程是使原料间发生化学反应以生成所需产物过程,因为反应是在低于熔点温度下经过原子扩散完成,又称之为固相反应。固相法利用固态物质间所发生多种固态反应来制取粉末。在制备陶瓷粉体原料中常见固态反应包含化合反应、热分解反应
15、和氧化物还原反应,但这多个反应在实际工艺过程中常常同时发生。使用固态法制备粉末有时不能直接作为原料使用,需深入加以粉碎。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,即大家通常所说传统固相烧结法,在PZT陶瓷工业化生产中,此方法是已经使用合成方法中最基础方法。PZT是由氧化物之间固体反应取得,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固溶体,然后均匀转化为PZT相。在烧结时,若选择预烧温度太低,则化学反应不充足;若温度太高,则预烧后大圆片硬度很大,难于粉碎。采取通常陶瓷工艺,粉料需经850预烧2小时。在预烧过程中,部分氧化铅会挥发。所以,为
16、了确保产品质量,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:350680反应B:625800 反应C:800以上 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;还原气氛会造成料粉还原发黑,必需严加控制。硅碳棒炉好于电阻丝炉。4 粉碎粉碎也能够成为二次磨细,目标是将预烧过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。压电陶瓷片制作是将预烧后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,方便成型
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