中國粉體網訊 前不久，一家電爐裝備廠商遇到了一個技術難題，他們在對鋯鈦酸鉛（PZT）壓電陶瓷進行燒結時，遇到鉛揮發的問題不知應如何解決。為此，中國粉體網小編查閱了相關文獻，發現在一些實驗當中，有采用以下的方法：
實驗一：由于燒結中會發生PbO的揮發，要在陶瓷片上加一個坩堝，減少鉛離子的揮發。
實驗二：采用無壓空氣燒結的方式進行粉體的燒結。樣品平放在平板上的小坩堝里，樣品之間用配料隔開。用含有PbO的填料將樣品完全覆蓋，蓋好，坩堝與平板之間用ZrO2密封，外面罩上大坩堝，然后將樣品放入箱式爐中按設定的溫度進行燒結。裝配示意圖如圖。
（來源：王佳：PZT壓電陶瓷制備工藝及性能研究）
實驗三：由于燒結過程中鉛會揮發，需要用PLZT粉對陶瓷片進行包埋以創造鉛氣氛，減少陶瓷片中鉛的揮發，有利于得到致密的陶瓷。同時，將陶瓷片豎著插入包埋粉中，可以很好地解決陶瓷片易變形彎曲的問題。
以上是解決鋯鈦酸鉛壓電陶瓷燒結過程中鉛揮發問題的經驗技巧。下面，我們將系統地來了解鋯鈦酸鉛壓電陶瓷的燒結。
PZT壓電陶瓷概況
鋯鈦酸鉛壓電陶瓷具有較高的居里溫度(380℃)和壓電常數，易摻雜改性、穩定性好等優點，在電子信息、機械工業、儀器儀表等領域具有很重要的地位，是制備濾波器、變壓器、超聲換能器和電光、光聲器件等大部分電子產品的基礎材料。
壓電陶瓷的制備工藝很大程度上決定了陶瓷的最終性能，PZT陶瓷的制備工藝一般包括粉體合成、陶瓷的成型及燒結三大部分，每一部分制備工藝對陶瓷最終的質量都有著至關重要的影響。
PZT粉體合成是制備PZT陶瓷的基礎，PZT粉體合成方法包括固相反應法和濕化學合成法，為制得具有粒徑分布均勻、范圍窄、粒徑小、純度高、燒結性能好等優良特性的PZT粉體，研究者們在傳統粉體合成工藝基礎上進行了大量的探索，得到了如機械化學固相反應法、水溶性共沉淀方法、微波-水熱法、溶劑熱合成法以及氧化劑過氧化氫合成法等新粉體合成工藝。
鋯鈦酸鉛陶瓷的燒結研究
壓電陶瓷元件的最終性能很大程度上取決于陶瓷的制備條件，每一步都得仔細地加以控制以得到最優產品。其中燒結過程是獲取所期待的多晶材料工藝中又一重要和發生質變的一環，其燒結現象、機理與工藝控制的研究對于改進材料的顯微結構及其相應的物理化學性能有著十分重要的意義。
傳統固相燒結
固相燒結是制備PZT陶瓷的傳統方法，由于其操作簡單，不需要特殊設備，是已實現工業化生產PZT的主要方法。但它又存在著嚴重不足，如需要較高的燒結溫度才能燒結（通常溫度高達1300~1400℃），而PbO在高于800℃就會揮發，這樣勢必會引起組分波動，最終影響PZT陶瓷的性能，所以要求對燒結條件和燒結氣氛的控制非常嚴格。為降低固相燒結的不足，人們對其進行改進，探索更佳的成分組成和工藝條件。如為減少燒結時鉛揮發，樣品放在密封的坩堝內，并保證在飽和的PbO氣氛條件下進行燒結。
制備超細粉體促進燒結
PZT粉體傳統上是用氧化物作為原料通過固相反應來制備的。這種傳統方法要求較高的煅燒溫度，通常不可避免地造成PZT粉體的顆粒粗化和團聚，而硬團聚體的存在將會造成陶瓷較差的微觀結構和性質。為解決該問題研究者們已經做了很多的努力，其中之一就是用超細PZT粉體來制備器件。這些超細粉體大多用濕化學方法來合成，包括水熱法、sol-gel和化學共沉淀法等。
但這些濕化學法也存在一定的不足，例如前驅體粉體都要在一定的溫度下煅燒才能得到所要求的PZT相，再者濕化學方法中涉及到一些對濕度和光敏感的化學成分，從而處理它們比較困難。此外濕化學法也耗時，反應完全結束需要很長時間，工序相對復雜。
添加燒結助劑降低燒結溫度
二是通過形成液相燒結來降低燒結溫度。形成的液相可以使晶粒重排、強化接觸，進而可提高晶界的遷移率，加快氣孔的排出，促進晶粒的發育，提高陶瓷的致密度，達到降低燒結溫度的目的。
三是通過過渡液相燒結來達到降低燒結溫度的目的。低熔點添加物先形成液相促進燒結，之后被吸入到主晶相中起到摻雜改性的目的，這種“雙重效應”可以使燒結溫度降低250℃~300℃，并對性能的提高有一定的促進作用。
反應燒結
反應燒結，就是在組分相互發生反應的同時達到致密化，是將混合均勻的多組分粉體壓成素坯，在隨后的燒結過程中各組分之間或組分與燒結氣氛之間發生化學反應，獲得預期設計組成的復相陶瓷。其特點是在燒結傳質過程中，除利用表面自由能下降作為推動力外，還包括一種或多種化學反應能作為推動力或激活能；粉體合成和致密化燒結一步完成。由于反應燒結過程簡單，能增強致密化程度，比濕化學方法有更大的優勢，從而被認為是PZT壓電陶瓷的一種很有前途的制備技術。
熱壓燒結
近30多年來，應用熱壓方法燒結得到性能優良的新型固體材料已經取得了顯著的成就，例如Si3N4、SiC等。它是利用塑性流動、離子重排和擴散對材料進行致密化，近年來也被用于壓電陶瓷的制備中。
沖擊波活化改性促進燒結
由于沖擊波加載技術具有壓力大、溫度高、作用時間短的特點，可以實現合成和改性的目的，并可有效地限制和減少晶粒的長大。此外，沖擊處理后又可引入大量缺陷和很多點缺陷移動的渠道，從而使氣孔迅速排除，可提高難燒結陶瓷的致密度。
冷燒結工藝
2016年，美國賓夕法尼亞大學Randall課題組發明了一種“冷燒結(cold sinteringprocess,CSP)”新技術，該工藝通過向陶瓷粉體中添加少量瞬態液相(如V2O5，Na2Mo2O7，K2Mo2O7，Li2MoO4)，并施加高壓(350~500MPa)促進顆粒間的擴散和重排，使得陶瓷粉體在較低的溫度(室溫~300℃)和較短時間(30~60min)實現致密化。
PZT陶瓷冷燒結制備工藝示意圖
（來源：郭茹，等：PZT陶瓷冷燒結工藝的優化與壓電性能研究）
與傳統高溫燒結工藝不同，冷燒結工藝中機械力−化學力耦合增強的傳質作用為燒結致密化提供了驅動力。目前，冷燒結工藝已被應用到多種高性能結構陶瓷(ZrO2陶瓷、功能陶瓷(BaTiO3，SrTiO3，Pb(Zr1−xTix)O3等)、鋰離子正極材料(LiFePO4)、金屬氧化物(ZnO，Bi2O3)及NASICON型固態電解質等材料的制備中。提高冷燒結工藝制備的樣品致密度有助于增強壓電性能。
展望
PZT壓電陶瓷具有優異的壓電與介電性能，在光學、聲學、電子科學領域都有廣泛應用，是應用最多的一種壓電材料，其在未來的發展中應繼續深入對低溫燒結PZT陶瓷的研究。目前PZT的低溫燒結技術還不能徹底解決鉛揮發問題，需進一步研究降低燒結溫度，在保證材料的優異性能的同時節約生產成本、提高生產效率并有利于環保。同時還應發展性能優異的無鉛系列壓電陶瓷，深入研究無鉛系列壓電陶瓷，使其性能可以與PZT陶瓷性能媲美，代替PZT陶瓷在各領域中的角色。
（中國粉體網編輯整理/平安）
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