使用实验室管式炉或开放烧结炉具有一个显著的优势，即(Ba0.85Ca0.15)(Zr0.1Ti0.9)O3 (BCZT)陶瓷与大气氧气保持完全、直接的接触。这种“暴露烧结”环境对于最大限度地减少氧空位至关重要，而氧空位的减少直接关系到压电性能的显著增强。
核心要点 在BCZT陶瓷中实现高氧化态可以防止形成“钉扎”畴壁的氧空位。这会导致铁电“软化”效应，增加畴迁移率，与在受限环境中烧结的样品相比，压电系数（$d_{33}$）可提高22%至41%。
氧化和性能的机制
最大化氧接触
开放式或管式炉的主要优点是氧气的无限制可用性。与样品被埋在粉末中的埋藏烧结方法不同，开放烧结允许陶瓷表面与大气自由相互作用。
减少内部缺陷
这种直接暴露有利于彻底的氧化过程。通过确保在高温阶段（通常为1300–1500°C）有足够的氧气可用，内部氧空位的浓度得到显著降低。
增强层状结构
这种氧化对于呈现层状结构的陶瓷特别有益。开放式环境确保这些复杂的微结构不会遭受氧缺乏症，否则会损害其电性能。
对机电性能的影响
“软化”效应
减少氧空位会导致一种称为材料“软化”的现象。在铁电体中，氧空位通常充当限制畴壁移动的钉扎位点。
增加畴迁移率
当通过高氧化去除这些钉扎位点时，BCZT结构内的畴壁可以更自由地移动。这种迁移率是这些材料高压电响应的基本驱动力。
$d_{33}$显著提高
这种增强迁移率的实际结果是压电系数（$d_{33}$）的可测量增加。与致密的缺氧样品相比，开放烧结的BCZT陶瓷的$d_{33}$值可以高出22%至41%。
理解权衡：开放式 vs. 埋藏式
埋藏烧结的风险
了解使用开放式炉可以避免什么很重要。替代的“埋藏烧结”方法限制了空气接触，抑制了氧化过程。
材料硬化
当氧化受到抑制时，氧空位浓度会升高。这会导致铁电“硬化”，其特征是极化强度降低和压电性能显著下降。
温度均匀性考虑
虽然开放式炉在氧化方面表现出色，但烧结过程也需要精确的动力学条件来实现晶粒生长和致密化。确保您的炉子保持卓越的温度均匀性，因为这决定了最终的晶粒尺寸分布和密度。
为您的目标做出正确选择
-
如果您的主要重点是最大化压电灵敏度（$d_{33}$）： 选择开放式或管式炉，以确保完全氧化，减少空位钉扎，并实现尽可能“最软”的材料响应。
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如果您的主要重点是致密化和晶粒控制： 确保您的开放式炉设置提供出色的温度均匀性（1300–1500°C范围），因为这会控制孔隙消除和晶粒生长，而与气氛无关。
通过优先选择富氧烧结环境，您可以有效地释放BCZT晶格中畴迁移率的全部潜力。
总结表：
| 特性 | 开放/管式炉烧结 | 埋藏烧结（受限） |
|---|---|---|
| 氧气可用性 | 高（直接接触） | 低（受抑制） |
| 氧空位 | 最小化 | 升高 |
| 材料效应 | 铁电“软化” | 铁电“硬化” |
| 畴迁移率 | 高（自由移动） | 低（畴钉扎） |
| 压电（$d_{33}$） | 增强（增加22% - 41%） | 显著较低 |
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图解指南
参考文献
- Zihe Li, Chris Bowen. Porous Structure Enhances the Longitudinal Piezoelectric Coefficient and Electromechanical Coupling Coefficient of Lead‐Free (Ba<sub>0.85</sub>Ca<sub>0.15</sub>)(Zr<sub>0.1</sub>Ti<sub>0.9</sub>)O<sub>3</sub>. DOI: 10.1002/advs.202406255
本文还参考了以下技术资料 Kintek Furnace 知识库 .
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