打火机点火陶瓷按键金相结构及微观组织形貌的研究

铌酸锂或锆钛酸铅是世界上应用最广泛的压电陶瓷材料之一，也是当今最常用的压电陶瓷。压电效应是其主要特性，所谓压电效应，就是指当给其外力作用时，会产生电极化效果，而且可以通过测量手段检测出来电极化的程度。这种行为用于燃油点火装置，固态电池，压力感测装置等，作为压电发生器的两个常见应用是按钮香烟打火机和燃气灶。电致动器可以操作数十亿次而不会磨损或变质。由于设计简单，移动部件较少，响应速度非常好，不需要润滑操作和高可靠性特性，压电执行机构可用于各种工业，汽车，医疗，航空航天和消费电子领域。

原材料的选取

压电陶瓷的主要原料是Pb3O4，ZrO2和TiO2，为了评估压电陶瓷主要原材料的微观组织形貌和成份，分别对其做SEM和EDS分析。如下图所示。从扫描电镜图片可以看到这三种物料都有一定程度的团聚，这可以在球磨过程中进一步分散并均匀化。从EDS电子能谱中可知这三种物质的组分都具有一定的纯度，都符合压电陶瓷对原材料的基本成分要求。

微观形貌和晶粒度

下图为1230℃烧结条件下不同锆钛比试样的金相组织形貌，从下图可以看到锆钛比为49/49的试样表面较疏松，且多孔洞。这样的组织不利于极化，孔洞越多其内部存在的空气就越多，越容易在后续极化过程中发生击穿现象。另一方面，从材料科学基础的相关知识可以知道，孔洞是材料缺陷的一种，会导致陶瓷基体强度降低。另外，组织越疏松，工作时产生的内摩擦也会越高，进而导致介电损耗增大。所以，致密度对组织和性能的影响非常关键。

锆钛比越高，材料的组织越为致密，当然越有利于后续的极化加工。但锆钛比的比例是有一定的范围限制的，或者说并不是锆钛比越高就越好。不同锆钛比试样的衍射分析结果可以知道，对于那些锆钛比达到或者超过52/46的粉料试样，衍射角在45度位置的峰为单重峰。不具有压电效果。所以只有锆钛比在一定比例范围内的试样才会有压电效果。

粉料粒度与球磨时间的关系

球磨对粉料粒度的影响也很重要。为了研究粉料粒度与球磨时间的关系，论文设计了7组实验，球磨时间分别为5h，10h，15h，20h，22h，24h和26h。下图是不同球磨时间粉料的激光粒度分析原始数据和汇总结果。从下图可以看出，20小时的效果最好，粒度最细小，D80约为1.6 μm左右。因此，将球磨时间设计为20h可以满足设计的要求，再高的球磨时间不仅会增加经济成本也会使生产周期延长，但对降低粉料粒度已经没有帮助。值得特别说明的是，球磨粉料的粒度越小，越有利于煅烧时充分反应，从而制备更好的粉料，这对高性能压电陶瓷的获取至关重要。

结论

900℃煅烧时会形成三四方相共存的两相组织，具有压电效果，且没有杂质相；对于不同锆钛比的粉料在900℃煅烧条件下制备的试样，只有当锆钛比在49/49-51/47之间的范围时才会出现三重峰，也即三方相和四方相共存（才会具有压电效果）1230℃烧结条件下，不同Zr/Ti比试样对比，Zr/Ti=51/47试样的平均晶粒最小为1.5-2μm，且最致密；通过对不同球磨时间的粉料的激光粒度分析可知，球磨20~26h得到的粉料粒度最小，选择球磨时间20h更经济。