增材制造压电陶瓷的现状与展望

压电陶瓷作为一类重要的功能陶瓷材料, 具备高强度、高硬度、耐腐蚀等优点, 可实现机械能和电能间的相互转换, 常被用于制备传感器、驱动器、电容器等压电器件, 在海洋探测、生物医疗、电子通讯等高端装备中发挥着重要作用。针对高端技术领域对压电功能器件智能化、集成化、轻量化的发展需求, 压电陶瓷的外形和结构越来越复杂。注浆、注射、模压、切割等传统的压电陶瓷制造工艺, 大多需借助模具或刀具完成, 很难甚至无法制造具有中空、悬垂等复杂结构的压电陶瓷, 制约了压电功能器件的进一步发展。增材制造技术基于逐层累加原理可实现任意复杂结构快速定制, 具有成型效率高、无需模具等优点, 可满足个性化、整体化、复杂化制造需求, 近年来受到国内外压电陶瓷领域研究人员的广泛关注。本文从粉体、浆料、块材三种原材料形态角度, 综述了当前增材制造压电陶瓷的主要工艺种类及发展现状, 综合对比了各种工艺成型特点; 介绍了增材制造压电陶瓷在不同领域的应用进展; 最后, 总结和展望了增材制造压电陶瓷所面临的挑战和未来可能的发展趋势。     

陶瓷增材制造的研究现状与发展趋势

陶瓷材料具有优异的热学性能和力学性能,在众多领域显示出重要的应用前景。其固有的高强度、高硬度等性能却给陶瓷零件的成型带来了很多困难。将增材制造技术引入到陶瓷成型中将能有效克服上述困难,并为陶瓷材料复杂成型工艺提供了全新的可能性。本论文从陶瓷增材制造原料状态角度,综述了几种常见陶瓷增材制造技术的研究现状与进展,系统比较了各项技术在陶瓷领域应用的优缺点,并对今后陶瓷增材制造技术的发展进行了展望。     

先驱体聚合物在陶瓷增材制造中的应用进展

先驱体陶瓷具有分子结构可设计、化学组成可调控、加工成型方便、力学性能优异、易于成型复杂构件、便于实现结构/功能一体化等优点,克服了传统粉末烧结制备陶瓷材料难于设计与成型的问题,对解决航空航天、国防尖端武器装备面临的材料瓶颈问题具有重要意义。在陶瓷增材制造技术的带动下,先驱体陶瓷的发展迎来了新的契机,增材制造先驱体陶瓷的研究得到了越来越多的关注。介绍了增材制造先驱体陶瓷的研究与应用进展,总结了各类陶瓷增材制造技术的优势和不足,并对先驱体陶瓷增材制造目前存在的问题与发展趋势进行了探讨和展望。     

聚合物前驱体转化陶瓷增材制造技术研究趋势与挑战

近年来,增材制造技术作为一种新兴的制造技术受到了广泛关注。该技术在高性能陶瓷材料的成型制造领域具有巨大的发展潜力,有望突破传统陶瓷加工和生产的技术瓶颈,极大提升高性能陶瓷产品的设计和制备的自由度,从而为高性能陶瓷材料制造技术的发展提供变革性的推动力。前驱体转化陶瓷通过化学方法制得聚合物,再经热处理转化为陶瓷材料。聚合物前驱体充分利用了自身良好的可加工性特点,实现了目标结构的预成型,并通过热处理工艺获得传统陶瓷工艺难以获得的先进陶瓷材料。而聚合物前驱体材料与增材制造技术的结合更受到了极大关注。本文在介绍聚合物前驱体增材制造技术特点的基础上,系统阐述了聚合物前驱体增材制造技术的研究与应用前沿的现状与趋势,并分析了聚合物前驱体增材制造技术面对的挑战以及未来发展方向。     

先进陶瓷材料的共挤压成型制备技术及其应用

共挤压技术是一种新型的制备多成分陶瓷材料的成型方法，可实现陶瓷材料一次性成型和连续性生产。简单阐述了共挤压技术及其在压电陶瓷、氧化物陶瓷、生物陶瓷和活性纤维复合材料等先进陶瓷材料中的应用，并展望了其研究前景和技术发展。     

钙钛矿型铌酸盐系无铅压电陶瓷材料与器件的研究进展

压电陶瓷材料与器件的研究开发极为重要.从发展角度看,无铅压电陶瓷材料与器件的研究是一项顺应"国际社会可持续发展要求"、符合"国家科学技术和经济发展目标"和"国际材料科学与工程发展趋势"、具有严酷竞争性和紧迫性、具有重大社会经济意义的研究课题.综合介绍了(K,Na)NbO3 (KNN)系钙钛矿型铌酸盐无铅压电陶瓷材料与器件的研究进展,包括陶瓷材料的组分设计与温度稳定性、陶瓷材料的合成制备新技术等;概括总结了KNN系无铅压电陶瓷在器件上的一些应用;分析展望了KNN系无铅压电陶瓷及器件研究的发展趋势.     

铌酸钠钾基无铅压电陶瓷制备技术的比较研究

铌酸钠钾(KNN)基无铅压电陶瓷是目前世界范围内压电铁电材料研究的热点.要是KNN基无铅压电陶瓷得到实际应用,除需开展材料的配方设计研究外,需要针对铌酸盐压电陶瓷的制备技术开展研究,还需要针对该体系陶瓷完成从实验室的试验研究到企业生产的中试技术研究.本文根据在压电铁电材料与器件生产单位开展KNN基无铅压电陶瓷采用的具体两个配方,结合材料在实验中遇到的相关技术难题,对比传统铅基压电陶瓷材料的制备工艺,对KNN基无铅压电陶瓷的制备技术中各工艺(包括称料、混合、预烧、成型、烧结)开展了比较研究,提出了对相关工艺技术进行改进的建议.     

PZT系多层片式压电陶瓷微驱动器位移性能研究

采用陶瓷坯膜流延成型和陶瓷坯膜／金属内电极共烧技术,制作了多层片式高含铅PZT软性压电陶瓷微驱动器．该器件具有体积小、工作电压低、位移量大（38V,1.05μm）的特点．本文对制作的多层片式器件在直流和单向交流工作电压的作用下产生的静态和动态位移特性,从PZT压电陶瓷材料的晶体和电畴结构特点进行了分析和研究．     

基于光固化技术增材制造陶瓷和金属的研究进展

增材制造是目前极具发展潜力的前沿技术之一。光固化增材技术作为增材制造的一个分支,具有高效、低能耗和成型精度高等优点,可解决传统工艺制备复杂结构金属和陶瓷存在的周期长、加工困难和成本高等问题,具有良好的经济和技术优势。光固化成型致密/多孔氧化物陶瓷已被广泛开发,并成功应用于微电子组件、光子晶体和骨科植入物等领域,但光固化非氧化物陶瓷和金属材料的应用基础理论和成型技术还未十分成熟,适宜于光固化工艺的陶瓷和金属浆料的制备仍面临很多挑战。本文综述了光固化增材制造氧化物陶瓷、非氧化物陶瓷和金属材料的研究进展,从浆料制备、光固化成型和后处理三个阶段分析了光固化增材制备三种材料的主要技术难点和可能的解决方案,最后指出了光固化陶瓷和金属材料的未来发展方向。     

基于粉末成形的激光增材制造陶瓷技术研究进展

陶瓷以其优异的热物理化学性能在航空航天、能源、环保以及生物医疗等领域具有极大的应用潜力。随着这些领域相关技术的快速发展, 其核心零件部件外形结构设计日益复杂、内部组织逐步走向定制化、梯度化。陶瓷具有硬度高、脆性大等特点, 较难通过传统的加工成形方法实现异形结构零件的制造, 最终限制了陶瓷材料的工程应用范围。激光增材制造技术作为一种快速发展的增材制造技术, 在复杂精密陶瓷零部件的制造中具有显著优势: 无模、精度高、响应快以及周期短, 同时能够实现陶瓷零件组织结构灵活调配, 有望解决上述异形结构陶瓷零件成形问题。本文综述了多种基于粉末成形的激光增材制造陶瓷技术: 基于粉末床熔融的激光选区烧结和激光选区熔化; 基于定向能量沉积的激光近净成形技术。主要讨论了各类激光增材陶瓷技术的成形原理与特点, 综述了激光选区烧结技术中陶瓷坯体后处理致密化工艺以及激光选区熔化和激光近净成形技术这两种技术中所打印陶瓷坯体基体裂纹开裂行为分析及其控制方法的研究进展, 对比分析了激光选区烧结、激光选区熔化以及激光近净成形技术在成形陶瓷零件的技术特征, 最后展望了激光增材制造陶瓷技术的未来发展趋势。     

Design and fabrication of broadband graded ultrasonic transducers with rectangular kerfs

Broadband ultrasound imaging is capable of achieving superior resolution in clinical applications. An effective and easy way of manufacturing broadband transducers is desired for these applications. In this work, a graded material in which the piezoelectric plate is mechanically graded with rectangular grooves is introduced. Finite element analysis (FEA) demonstrated that the graded piezoelectric material could achieve a broadband, time-domain response resulting from multiple resonant modes. Experimental tests were carried out to validate these theoretical results. Based upon the FEA designs, several single-element transducers were fabricated using either a nondiced ceramic or a diced, graded ceramics. A superior bandwidth of 92% was achieved by the graded transducer when compared to a bandwidth of 56% produced by the nondiced ceramic transducer at the expense of a reduced sensitivity.     

织构化工艺在无铅压电陶瓷中的应用

近年来, 织构化工艺作为一种提高无铅陶瓷压电性能的有效方法, 在国内外得到了广泛地研究和关注. 本文综述了几种常用的织构化工艺, 包括热处理技术、非等轴粒子取向固化技术、模板晶粒生长技术、反应模板晶粒生长技术和多层晶粒生长法的发展与应用, 并详细讨论了每一种工艺对陶瓷微结构和织构化生长机制的影响.     

水热合成无铅压电陶瓷粉体

简述了水热法在国内外的发展现状,重点介绍了目前水热法制备BaTiO3、(K1-xNax)NbO3、Na0.5Bi0.5-TiO3以及Bi4Ti3O12等4种无铅压电陶瓷粉体的工艺过程,及其在制备4种粉体过程中对粉体尺寸、形貌的控制和独特的优势,同时简要评述了近年来微波水热法制备无铅压电陶瓷粉体的新工艺进展,指出水热法在制备无铅压电陶瓷方面具有一定的优势,可以制备出纯度和结晶性高、颗粒分布均匀、尺寸和形貌可控的高性能简单化合物无铅压电陶瓷粉体。下一步研究的重点和难点为合成组分可控的复杂化合物,为真正实现压电陶瓷和器件的无铅化革命作贡献。     

无铅压电陶瓷与义齿基托树脂结合强度的研究

制备了3种不同类型的无铅压电陶瓷,包括钛酸钡(BT)、钛酸铋钠(BNT)、铌酸钾钠(KNN),用XRD对无铅压电陶瓷进行物相分析;将这3种无铅压电陶瓷与义齿基托树脂聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)粘接,通过粘接剪切强度测试评价了无铅压电陶瓷与义齿基托树脂间的粘接强度.实验结果表明,3种不同的无铅压电陶瓷与义齿基托树脂之间的粘接剪切强度值有统计学的差异(P<0.05),由高到低依次为KNN>BNT>BT;所采用的无铅压电陶瓷与义齿基托树脂之间有良好的粘接性能;粘接破坏形式主要为内聚性破坏.研究结果为无铅压电陶瓷与义齿基托树脂将来在口腔临床治疗中的应用提供了重要的实验依据.     

激光增材制造超高温氧化物共晶陶瓷研究进展

超高温氧化物共晶陶瓷具有优异的高温强度、高温蠕变性能、高温结构稳定性以及良好的高温抗氧化和抗腐蚀性能, 成为1400 ℃以上高温氧化环境下长期服役的新型候选超高温结构材料之一, 在新一代航空航天高端装备热结构部件中具有重要的应用前景。基于熔体生长技术, 以选择性激光熔化和激光定性能量沉积为代表的激光增材制造技术具有一步快速近净成形大尺寸、复杂形状构件的独特优势, 近年来已发展成为制备高性能氧化物共晶陶瓷最具潜力的前沿技术。本文从工作原理、成形特点、技术分类等方面概述了基于熔体生长的两种典型激光增材制造技术, 综述了激光增材制造技术在超高温氧化物共晶陶瓷制备领域的研究现状和特点优势, 重点介绍了选择性激光熔化和激光定向能量沉积超高温氧化物共晶陶瓷在激光成形工艺、凝固缺陷控制、凝固组织演化、力学性能等方面的研究进展。最后, 指出了实现氧化物共晶陶瓷激光增材制造工程化应用亟需突破的关键瓶颈, 并对该领域未来的重点发展方向进行了展望。     

(Ba0.85Ca0.15)(Ti0.9Zr0.1-xSnx)O3无铅压电陶瓷的相结构与压电性能

钙锆共掺钛酸钡陶瓷(BCZT)具有优异的介电性能和压电性能, 是一类具有发展潜力的无铅压电陶瓷, 但其压电性能仍无法与铅基陶瓷媲美。为提高压电性能, 本研究对陶瓷材料进行Sn元素掺杂改性((Ba_0.85Ca_0.15)- (Ti_0.9Zr_0.1-xSn_x)O₃, x=0.02~0.07))。晶体结构分析证实所有组分的陶瓷无杂相, 处于正交相与四方相两相共存状态, 并具有较大的c/a; 显微结构分析发现所有陶瓷都很致密, 且平均晶粒尺寸随着Sn含量的增加而增大。当x=0.04时, 陶瓷最致密, 且室温处于准同型相界附近, 因此拥有最佳的电学性能: d₃₃=590 pC•N ^-1, k_p=52.2%, tanδ=0.016, ε ^T₃₃=5372, d ^*₃₃=734 pm•V ^-1, IR=57.8 GΩ•cm。本研究表明: Sn掺杂的BCZT基无铅压电陶瓷具有优异的压电性能, 有望在换能器、机电传感器和驱动器等方面得到应用。     

Novel piezoelectric ceramics and composites for sensor and actuator applications

 Novel piezoelectric ceramic, and ceramic /polymer composite structures were fabricated by solid freeform fabrication (SFF) for sensor and actuator applications. SFF techniques including: Fused Deposition of Ceramics (FDC), and Sanders Prototyping (SP) were utilized to fabricate a variety of complex structures directly from a computer aided design (CAD) file. Many novel and complex composite structures including volume fraction gradients (VFG), staggered rods, radial and curved composites, and actuator designs such as tubes, spirals and telescoping were made using the flexibility provided by the above processes. Radial composites with various connectivities in the radial direction were made for towed array applications. VFG’s were incorporated into some of these designs, with the ceramic content decreasing from the center towards the edges. Many new designs are also being used to manufacture high authority actuators utilizing the FDC technique. The telescoping actuation of the device is the summation of actuation of all individual tubes making of the actuator, therefore, increasing the number of the tubes which are the driving component of the actuator will further enhance the displacement. The design, fabrication and electromechanical properties of these sensor and actuator structures are discussed in this paper. Received: 2 November 1998 / Reviewed and accepted: 2 November 1998     

The history of ceramic filters

The history of ceramic filters is surveyed. Included is the history of piezoelectric ceramics. Ceramic filters were developed using technology similar to that of quartz crystal and electro-mechanical filters. However, the key to this development involved the theoretical analysis of vibration modes and material improvements of piezoelectric ceramics. The primary application of ceramic filters has been for consumer-market use. Accordingly, a major emphasis has involved mass production technology, leading to low-priced devices. A typical ceramic filter includes monolithic resonators and capacitors packaged in unique configurations.