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淄博瀚声电陶瓷等离子喷涂技术与应用基础研究

 

  摘要 介绍压电陶瓷材料等离子喷涂工艺方法的概念及用此法制作压电陶瓷元件的方法。

  智能材料与结构是近年来在世界上兴起并迅速发展的构件设计的新技术[1]。智能结构的设计制造通常采用埋设或粘贴传感器或作动器的方法实现。压电材料既能作为传感器,又能作为作动器,且动态响应快、频带宽,因而常作为埋设或粘贴元件,广泛应用于智能结构中,用于智能结构形态及运动的监测和控制[2,3]。  压电陶瓷材料等离子喷涂是将压电陶瓷粉末送入等离子射流并在其中加热、加速,喷射到基体上形成涂层的热喷涂方法。这种涂层在一定条件下极化便可具有压电特性,成为压电陶瓷元件。作为新型传感元件和作动元件阵列的制作方法,这种技术在智能材料和结构中具有广泛的应用前景。  1 压电陶瓷材料等离子喷涂原理  等离子喷涂是采用刚性非转移等离子弧为热源,以喷涂粉末材料为主的热喷涂方法,喷涂原理见图1。喷枪的电极(阴极)和喷嘴(阳极)分别接整流电源的正负极,向喷枪供给工 

              图1 等离子喷涂原理示意图
作气体,通过高频火花引燃电弧,气体被加热到很高温度而电离,在机械压缩效应、自磁压缩效应和热压缩
效应的作用下,从喷嘴喷出,形成高温高速等离子射流。送粉气流推动粉末进入等离子射流后,被迅速加热和加速,形成熔融或半熔融的粒子束,撞击到经预处理的基材表面,迅速冷却凝固,形成涂层。压电陶瓷材料(通常用PZT)制成粉末,经适当处理,使之具有适合于喷涂的特点,便可用等离子喷涂技术制成压电陶瓷涂层。  在喷涂过程中,通常一个粉末粒子被加热加速喷射到基体上,其凝固时间大约是另一个粉粒到达同一点时间的10-6倍,这样,可以认为每个粉粒的碰撞、结晶和冷却是相互独立的。从这个观点出发,各个粉粒形成饼状薄片,相互叠压,形成层状涂层(见图2)。图2中Dx为粒子焊合接触表面区的直径。

             图2 涂层组织结构1.涂层和基体间的界面 
2.层间界面 3.粒子间的界面
2 压电陶瓷元件的喷涂制作方法  传统的压电陶瓷制备工艺(烧结工艺)是按化学反应式中的配比称量分
析纯的PbO,ZrO2,TiO2等原料混合锻烧研磨后,压制成形,在高温炉中进行固相烧结,被上电极后加电场极化,制成压电陶瓷元件[4]。  等离子喷涂制作工艺是将原料按一定比例混合后进行煅烧,用研磨、雾化或其它方法制成粉末,干燥后用高能等离子喷涂设备喷涂到基体上,被上电极(金属基体可作为一个电极),在一定条件下极化后便制成压电元件。  在喷涂中用遮覆法可制成各种形状的压电陶瓷元件,即在基体上不需喷涂涂层的部位用涂料涂覆或用其它材料遮覆,喷涂完毕后将涂料或遮覆材料连同其上涂层一起去除,基体上剩下的部分便是所需得到的涂层。  金属基体通常可作为压电元件(见图3)的一个电极。另一电极和引线可用蒸镀、喷涂法在压电陶瓷涂层上镀涂一层导电膜(如银、铜等)制成。若基体为非金属或导电性能较差的材料,则可预先在基体上喷涂一层导电涂层,作为电极和引线。

                  图3 压电元件示意图
  等离子喷涂用的陶瓷粉末的最重要特性是形态、密度、粒度范围及分布、流动性和稳定性等。在喷涂时
,粉末能否通过送粉器连续均匀地送入等离子喷枪(枪内送粉)或等离子射流(枪外送粉)是喷涂的一个重要环节,因而要求粉末具有较好的流动性和稳定性。流动性除了由物质本身的物理特性决定以外,粉末的形态也是一个重要因素。一般而言,球形的粉粒具有良好的流动性,因此粉末制备时应尽量避免使用机械破碎等不易产生球形粉粒的方法。粉末平均粒度宜在(20~80)μm,过小易被高速射流吹飞,过大不易充分熔化。粉末粒度的分布不宜过宽,以免熔化不均。喷涂过程中应选择最优的工艺参数来获得性能最佳的涂层。

3 喷涂压电陶瓷的特点  与烧结工艺制作的压电陶瓷元件相比,用等离子涂层制作的压电陶瓷具有一系列优点:等离子喷涂涂层厚度可控制在数十微米以下,因而制成的压电陶瓷元件的厚度可控制在100 μm以内(包括电极、引出线等),这就使得在对元件厚度有特殊要求的场合使用压电陶瓷元件成为可能。这是烧结工艺制作的压电元件无法比拟的突出优点;等离子喷涂在大面积喷涂时生产效率较高,因此在大面积压电陶瓷元件阵列的制作中使用喷涂技术具有十分显著的优势;用喷涂方法制作压电元件可避免常规应用中的粘贴过程,从而避免了由于粘贴带来的如应变传递损失、粘结剂失效、粘贴性能欠佳等缺点,从而使压电陶瓷阵列的可靠性得到提高。

4 喷涂压电陶瓷的缺陷及解决途径  喷涂压电陶瓷的最大缺陷是孔隙率高、杂质的带入和成分的散失。与基体的结合强度也是一个至关重要的问题。这些缺陷对压电陶瓷元件的性能及使用有很大的影响。一般等离子喷涂涂层的孔隙率最大可达10%以上,而烧结陶瓷则十分致密。等离子涂层的致密性可通过优选工艺参数来提高。通常孔隙率与喷涂功率、工作气体流量、粉末粒度与分布、粉末干燥程度、送粉量以及喷嘴直径等有关(见图4),恰当地优选这些参数可降低孔隙率。工艺参数优化后涂层孔隙率可达2%以下。另外,复合工艺的采用是降低孔隙率的有效途径,如喷涂加激光重熔,可使孔隙率显著降低[5]。而超音速等离子喷涂孔隙率几乎为零,是提高涂层致密程度的根本途径。

                图4 孔隙率与喷涂工艺参数的关系
  喷涂过程中带入的杂质主要是氧化物,在PZT喷涂中这并非主要问题,因为PZT固溶体中各成分主要以
氧化物的形式存在。压电陶瓷涂层中成分的散失会对压电陶瓷元件性能产生影响。由于喷涂过程中等离子火焰温度较高,压电陶瓷材料中某些成分如PZT中的铅容易挥发,从而影响压电陶瓷元件的性能[6]。许多学者对陶瓷中铅挥发的抑制进行了研究,一般铅的挥发可通过改变陶瓷材料配方或添加其它成分来抑制[7]。  压电陶瓷涂层与基体以及涂层本身的结合强度是压电元件能否正常工作的决定因素,涂层与基体以及涂层间的结合力通常有3种:机械结合力、弱的非价键相互作用力(范得瓦尔力)和化学键力。喷涂工艺参数对结合强度有较大影响(见图5)。基体的表面情况对涂层与基体的结合力有很大的影响,表面粗糙度存在一个使涂层与基体产生最佳结合的最优值,表面廓形能使基体与涂层产生互锁等,也有利于粘结力的提高[8]。表面喷砂处理或喷底层能够促进粒子焊合的化学相互作用,使基体与涂层的结合力大为提高[9]。

图5 结合强度与喷涂工艺参数的关系
5 等离子喷涂陶瓷压电性能与应用前景  将涂层被上电极后用静态法测试的压电性能数据见表1。测得
喷涂压电陶瓷具有与压电复合材料相当的压电性能,通过改变喷涂工艺参数和调整压电陶瓷配方可进一步改善压电性能。
               表1

喷涂电压(V)

喷涂电流(A)

应变系数(pCN-1)

75

580

12

75

600

11

75

630

15

  压电陶瓷材料的等离子喷涂技术在复合材料、智能结构中具有十分广泛的应用前景,用等离子涂层制备的压电元件阵列尤其适合于应力场的测量(见图6),如飞机蒙皮的应力场测量,切削刀具应力场测量等。作为作动器在智能结构的主动控制中也可广泛应用。

图6 压电元件阵列应用原理示意图
  综上所述,与其它材料类似,压电陶瓷材料的等离子喷涂技术是将压电陶瓷粉末用等离子射流加热、加
速后喷射到基体表面,扩散、冷却并凝固形成涂层,粉末的制作必须使粉末具备适合于喷涂的特点。这种技术的特点是所制作的元件厚度薄,适合于大面积压电元件阵列的制作,因而具有广阔的应用前景。喷涂过程中涂层孔隙率的降低,成分散失的抑制,涂层结合力的提高等均可通过适当的工艺途径来解决。笔者已制备出具有一定压电性能的压电陶瓷涂层,进一步的研究工作正在进行之中。


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