當前壓電陶瓷體系存在兩種類型，一種是發展較為成熟的鉛基壓電陶瓷，另一種是近年來飽受關注的無鉛壓電陶瓷，這兩類壓電陶瓷進行傳統高溫燒結時均存在一定的挑戰。鉛基壓電陶瓷所含的鉛元素在高溫燒結時易揮發，給生態環境和人類社會可持續發展帶來嚴重的危害。無鉛壓電陶瓷雖不含有毒的鉛元素，但其組成成分中也往往含有一種或多種易揮發元素，這些元素在長時間的高溫燒結制備過程中容易揮發，除了使材料的致密性降低，還會產生雜質相，導致性能降低。因此，無論是針對鉛基壓電陶瓷還是無鉛壓電陶瓷，防止元素的揮發都是其燒結過程中的關鍵挑戰。

目前，壓電陶瓷的燒結主要有2條路線：一是改良傳統燒結技術，二是開發新型的低溫燒結技術。

傳統燒結技術的改良

傳統燒結壓電陶瓷的改良主要從配方優化和工藝優化兩個方面入手，配方的優化主要通過添加燒結助劑協同離子摻雜來實現，工藝優化則可以通過采用惰性氣氛燒結和兩步燒結法來實現。

1、添加燒結助劑

該方法是利用燒結助劑低熔點的特性。在燒結前期，燒結助劑會在材料內會形成過渡液相，并潤濕在晶粒表面，提升陶瓷粉體的溶解與遷移速率，從而能在較低燒結溫度下形成致密的陶瓷體，在燒結后期，部分燒結助劑中的離子可能會被回吸入主晶格內，取代材料晶格的固有離子，以摻雜改性的方式改善陶瓷的性能。

燒結助劑促進燒結的機理

這種方法在大幅度降低燒結溫度的同時，還有利于實現陶瓷的各項電學性能。此外，燒結助劑的價格低廉、操作簡單，只需確定適宜的添加濃度，就可以穩定高效的投入生產實踐。目前，可以實現摻雜取代和過渡液相協同作用的助燒結劑主要有：V₂O₅、Li₂CO₃、LiF、Li₂O、CuF₂、CuO、MnO₂、LiBiO₂。

2、惰性氣氛燒結

惰性氣氛燒結是通過向爐腔環境中充入Ar、He、N2等惰性氣體的方式，實現對腔內氣氛氧分壓的調控。在燒結中，氧分壓的變化根據坯體的成分不同發揮著不同的作用。壓電陶瓷的成分多為氧化物，在惰性氣氛燒結時，氧分壓的降低可以促使陶瓷坯料內形成高濃度的氧空位缺陷，從而顯著影響燒結傳質階段，有效地降低燒結溫度。

3、兩步燒結法

兩步燒結法指對燒結過程溫度進行調控優化，通過設置T1、T2兩個不同的階段溫度，在實現晶粒生長的有效控制的前提下，于較低溫度完成材料的致密化工作。兩步燒結法中T1溫度一般是傳統燒結溫度，主要為反應系統提供驅動力，在短時間內將陶瓷致密度提升到一定程度。隨后，陶瓷被迅速冷卻到較低的溫度（T2，通常在T1以下50-100℃），從而降低晶界遷移的驅動力，在不顯著晶粒生長的情況下達到最大密度，并盡量減少揮發性物質的揮發。

兩步燒結法溫度制度

新型低溫燒結技術

對傳統燒結工藝進行改良雖能在一定程度上抑制元素的揮發，但其能力仍有限。隨著對燒結機理研究的不斷深入，熱壓燒結、微波燒結、放電等離子燒結、冷燒結等能夠有效抑制元素揮發的低溫燒結技術被逐漸開發出來。

1、熱壓燒結

熱壓燒結是一種將二次球磨后的預燒粉料裝填到模具中，并在對粉體進行加熱的同時施加單軸方向的外壓力，最終使得燒結和成型同時完成的制備方法，這種方法不再單一以溫度作為傳質驅動力，而是使用壓力補充了傳質驅動力，使得晶粒加速流動、重排，在實現致密化的同時可以降低一定的燒結溫度。

熱壓燒結原理示意（來源：上海哈騰）

由于較高的壓力還可以在一定程度上抑制晶體生長速度，因此熱壓燒結技術可以有效減小陶瓷晶粒的尺寸，降低陶瓷的孔隙率，提升壓電陶瓷的力學性能和電學性能。但其燒結溫度降低有限，不能很好地控制壓電陶瓷陶瓷中的易揮發元素的揮發現象。

2、微波燒結

微波燒結技術是通過微波輻射耦合將其轉化為熱能的原理而進行加熱的過程。在傳統固相燒結中，由于材料表面首先被加熱，所以材料表面和內部存在溫度梯度，需要繼續增加溫度、延長燒結時間，使胚體心部達到致密化所需的溫度。而微波燒結可激發粒子發生高速運動，使材料整體均勻加熱至燒結溫度而實現致密化，因此相比傳統燒結，微波燒結的所需溫度更低，燒結時間更短。此外，微波燒結還具有能源利用率高，安全衛生無污染等優點，契合了無鉛陶瓷發展的環保理念。但目前來說，該技術設備條件要求過高，制備成本較高，使得其普及與應用大大受限。

傳統燒結vs微波燒結

3、放電等離子燒結

該技術在熱壓燒結的基礎上引入電場參與，利用上、下模沖及通電電極將特定燒結電源和壓制壓力施加于燒結粉末，經放電活化、熱塑變形和冷卻而實現超快速致密化燒結。期間，脈沖電流產生的等離子體和機械加壓有效降低了粉末的燒結溫度，具有升溫速率快、燒結時間短、組織結構可控、節能環保等鮮明特點。

放電等離子燒結原理

由于放電等離子燒結的加熱過程迅速，合成時間短，同時與熱壓燒結一樣引入了壓力補充了傳質驅動力，故可明顯抑制晶粒粗化并避免一些副反應發生，得到各項性能均很優異的壓電陶瓷制品，但同樣因其設備昂貴，在短期內，其工業大規模應用仍然受限。

4、閃燒技術

閃燒技術是一種基于電場和熱場協同作用下的新型燒結技術，與放電等離子燒結相比，雖然兩者均有電場的參與，但閃燒是將電場直接加載在樣品素坯上，以此施加電場環境。當爐溫升高至一定閾值時，在電場及熱場的耦合下，通過樣品的電流密度會瞬間增大，發生放光現象，使陶瓷素坯在幾秒到幾十秒的時間內迅速完成致密化。

閃燒技術原理

閃燒技術的燒結過程短暫迅速，能夠有效的抑制揮發性成分揮發，同時也能實現多種材料的低溫共燒，因此可以實現PZT、KNN等含有易揮發成分壓電陶瓷材料與鎳等賤金屬電極的低溫共燒。但極快的燒結速度，也使得溫度及溫度梯度的分布等參數難以準確檢測和控制。

444℃閃燒所得KNN陶瓷的SEM照片

5、冷燒結

冷燒結是利用離子水、酸性溶液等瞬態液相潤濕粉體，促進液相與固相之間的緊密接觸，從而輔助顆粒溶解并傳質，從而實現在較低溫度和較高壓強下完成致密化過程。該技術涉及的設備簡單、操作也相對方便，并且能夠在低于400℃的低溫下實現高度致密化，避免了易揮發成分的揮發，同時有助于調節相應的壓電性能。但是由于該技術發展時間不長，并牽涉到許多復雜的力學與化學過程，對其燒結機理仍然需要進行更多的研究和理解，確保材料得到適當的致密化。

冷燒結流程

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小結

壓電陶瓷作為一種重要的功能陶瓷材料，在傳感器、超聲換能器、微位移器和其它電子元器件等方面得到了廣泛的應用。但無論是發展成熟的鉛基壓電陶瓷還是近年來受到廣泛關注的無鉛壓電陶瓷在燒結過程中都存在部分元素易揮發的問題，一般通過降低燒結溫度來解決。雖然對傳統燒結技術進行改良的方法，在操作上相對簡單，成本也較低，但降低壓電陶瓷燒結溫度的能力有限。而諸如熱壓燒結、微波燒結、放電等離子燒結、閃燒技術、冷燒結等新型低溫燒結技術能夠大幅度降低壓電陶瓷的燒結溫度，但因技術較新，設備成本通常較高、工藝控制也較不成熟，還需進行更進一步研究。

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