Технологии нанесения электродов на пьезокерамику: методы и производственный процесс
Пьезокерамические элементы требуют обязательного нанесения электродов и последующего процесса поляризации для проявления пьезоэлектрического эффекта. Выбор метода нанесения электрода определяет способ интеграции компонента в конечное устройство и напрямую влияет на его ключевые эксплуатационные характеристики: надежность, стабильность и долговечность.
1. Полный технологический цикл производства пьезокерамики
Создание готового пьезоэлемента представляет собой многоступенчатый процесс, включающий следующие основные этапы:
- Подготовка шихты из высокочистых оксидов и карбонатов металлов
- Измельчение и помол компонентов
- Фильтрация и сушка полученной суспензии
- Предварительный отжиг (кальцинация)
- Повторное измельчение
- Формование заготовок
- Удаление органического связующего (выгорание)
- Высокотемпературное спекание
- Механическая обработка: калибровка и очистка
- Нанесение электродов
- Впекание серебра (для пастообразных электродов)
- Поляризация в сильном постоянном электрическом поле
- Всесторонний контроль качества
2. Ключевые этапы: подготовка материалов, формование и спекание
2.1. Подготовка материалов и формование
Исходные материалы — оксиды и карбонаты металлов высокой чистоты (размер частиц менее 2 мкм). Смешивание и измельчение проводят в шаровых или вибрационных мельницах. Для исключения металлических примесей применяется струйная воздушная дезинтеграция.
2.2. Спекание и стратегия легирования добавками
Процесс спекания проходит в окислительной атмосфере. Для управления микроструктурой и функциональными свойствами керамики в состав вводят целевые добавки:
- «Мягкие» добавки (например, La³⁺, Nb⁵⁺): Создают катионные вакансии, повышают диэлектрическую проницаемость и пьезомодуль, но снижают механическую добротность.
- «Жесткие» добавки (например, Fe³⁺, Mn³⁺): Создают кислородные вакансии, увеличивают добротность (Qm) и снижают диэлектрические потери.
- Добавки, образующие жидкую фазу (например, стеклофаза): Снижают температуру спекания.
- Добавки, ограничивающие рост зерна: Повышают механическую прочность и однородность свойств.
3. Методы нанесения электродов на пьезокерамику
После спекания и механической обработки на поверхность керамики наносят электроды. В промышленности применяются два основных метода.
3.1. Химическое осаждение (Chemical Plating)
Это беспроводной автокаталитический процесс, основанный на реакции восстановления металлов (чаще всего серебра или никеля) из водных растворов их солей. Метод широко распространен благодаря:
- Простоте технологии
- Низкой стоимости
- Отсутствию требований к сложному вакуумному оборудованию
- Возможности нанесения толстых слоев, удобных для последующей пайки
3.2. Вакуумное напыление (Vacuum Plating)
Технология осаждения металлов (Au, Ni, Cu, Cr) в вакуумной камере методами испарения, магнетронного распыления или ионного осаждения. Преимущества метода:
- Высокая адгезия покрытия к керамике
- Чистота и однородность покрытия
- Точный контроль толщины слоя
- Экологичность (отсутствие химических стоков)
4. Сравнительный анализ методов нанесения электродов
Выбор между химическим и вакуумным методом зависит от технических требований к компоненту и экономической целесообразности.
- Химическое осаждение:
- Преимущества: Низкая стоимость, толстый слой металла (удобство пайки).
- Недостатки: Риск появления дефектов (водяные знаки, царапины), меньшая адгезия и однородность.
- Вакуумное напыление:
- Преимущества: Высокая адгезия, чистота и однородность покрытия, экологичность.
- Недостатки: Высокая стоимость оборудования, тонкий слой (может требовать многократного нанесения для пайки).
На сегодняшний день химическое осаждение (чаще всего серебра или меди) остается наиболее распространенным методом в промышленности due to своей низкой стоимости и технологичности. Вакуумное напыление (магнетронное распыление никеля, золота, меди) — это более прогрессивная технология для продуктов с высокими требованиями к надежности и стабильности (аэрокосмическая, медицинская, военная техника).
5. Заключение
Химическое и вакуумное нанесение электродов — это ключевые, конкурирующие технологии в производстве пьезокерамики. Хотя химический метод доминирует due to экономичности, вакуумное напыление предлагает высшее качество, воспроизводимость и экологичность. Развитие технологий вакуумного осаждения делает его перспективным направлением для создания нового поколения высоконадежных пьезокерамических компонентов.
Компания HE-SHUAI применяет оба метода для производства керамики, что гарантирует соответствие специфическим техническим требованиям заказчика. Для подбора оптимальной технологии для вашего проекта — обратитесь к нашим инженерам-технологам.
