弛豫鈣鈦礦型鉛基壓電陶瓷材料與器件的制備及性能研究.pdf

1、本文首先采用傳統(tǒng)固相反應(yīng)法制備了Pb(ZrxTi1-x)O3和(1-x)PMN-xPT二元系壓電陶瓷，分析組成對(duì)陶瓷相結(jié)構(gòu)、微觀形貌和電學(xué)性能影響，從而確定這些體系準(zhǔn)同型相界(MPB)的組分。XRD分析結(jié)果表明，所有制備的陶瓷樣品均為純 ABO3鈣鈦礦結(jié)構(gòu)，未發(fā)現(xiàn)其他雜相。Pb(ZrxTi1-x)O3陶瓷在MPB附近x=0.52的處獲得該體系較佳性能：壓電常數(shù)d33=192 pC/N、相對(duì)介電常數(shù)εr=2416。然而，組分為0.65PM

2、N-0.35PT弛豫鐵電體陶瓷明顯高于Pb(Zr0.52Ti0.48)O3正常鐵電體陶瓷性能，d33、εr分別達(dá)到412 pC/N和εr=3225。
　　在 PZT和PMN-PT二元系陶瓷研究基礎(chǔ)之上，同樣以傳統(tǒng)燒結(jié)工藝在1200℃制備了0.25Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-0.75Pb(ZryTi1-y)O3(PMN-yPZT,y=0.30~0.45)、0.3Pb(Zn1/3Nb2/3)O3-0.7Pb(Zrxi1-x)O3

3、(PZN-xPZT，x=0.45~0.51)和0.55Pb(Ni1/3Nb2/3)O3-0.45Pb(ZrxTi1-x)O3(PNN-xPZT，x=0.20~0.35)三元系壓電陶瓷，系統(tǒng)研究不同Zr/Ti比(Zr含量)對(duì)相轉(zhuǎn)變、微觀結(jié)構(gòu)、壓電、介電和鐵電性能的影響。結(jié)果表明所有體系陶瓷均為純鈣鈦礦結(jié)構(gòu)，在四方和三方轉(zhuǎn)變的準(zhǔn)同型相界處具有最佳電學(xué)性能：在PMN-yPZT體系中，當(dāng)y=0.35時(shí)電學(xué)性能為d33=346 pC/N、εr=1

4、513、kp=0.47；在PZN-xPZT體系中，當(dāng)x=0.49時(shí)電學(xué)性能為d33=477 pC/N、εr=2127、kp=0.69；對(duì)比發(fā)現(xiàn)，在 PNN-xPZT體系中，當(dāng) x=0.30時(shí)組分陶瓷具有比 PMN-yPZT和PZN-xPZT兩個(gè)體系更優(yōu)異電學(xué)性能：d33=810 pC/N、εr=6371和kp=0.54。此外，選擇0.55Pb(Ni1/3Nb2/3)O3-0.45Pb(Zr0.3Ti0.7)O3(PNN-PZT)三元系陶

5、瓷為對(duì)象，研究燒結(jié)溫度(1175~1300℃)對(duì)PNN-PZT陶瓷微觀結(jié)構(gòu)、壓電、介電以及鐵電性能的影響。XRD和拉曼譜分析結(jié)構(gòu)表明，所有樣品呈現(xiàn)三方相為主的鈣鈦礦相結(jié)構(gòu)。隨著燒結(jié)溫度的升高，d33和εr均呈現(xiàn)先增加后減小的變化趨勢(shì)，分析認(rèn)為這與陶瓷晶粒長(zhǎng)大、密度降低有關(guān)。研究結(jié)果表明，當(dāng)1250℃燒結(jié)2 h時(shí)PNN-PZT陶瓷樣品具有最高壓電性能：d33=1070 pC/N、kp=0.69、εr=8170和tanδ=2.6％。

6、　　為了提高PNN-PZT陶瓷壓電性能、改善燒結(jié)特性，在該體系中分別摻雜CuO和Fe2O3，研究添加量對(duì)微結(jié)構(gòu)和性能的影響。少量 CuO的添加幾乎不影響陶瓷體系相結(jié)構(gòu)，但能明顯提高陶瓷的壓電和介電性能。當(dāng)燒結(jié)溫度為1125℃時(shí)，CuO添加量為0.4 wt%所制備的陶瓷樣品具有較好的性能：d33、kp分別為777 pC/N和0.55。分別采用傳統(tǒng)燒結(jié)工藝(NS)和微波燒結(jié)工藝(MS)在1200℃燒結(jié)2 h制備了Fe2O3摻雜的PNN-PZ

7、T壓電陶瓷。對(duì)于采用傳統(tǒng)燒結(jié)工藝陶瓷樣品，當(dāng)Fe2O3摻雜量為1.2 mol%時(shí)，壓電和介電性能達(dá)到最佳：d33=956 pC/N、kp=0.74、εr=6095和tanδ=2.6%。然而，采用微波燒結(jié)工藝制備陶瓷的壓電性能明顯低于傳統(tǒng)燒結(jié)工藝制備樣品，這主要是由于晶粒尺寸不均勻、密度低所引起。
　　分別研究了Li2CO3和ZnO摻雜對(duì)PNN-PFN-PZT四元系壓電陶瓷電學(xué)性能和溫度穩(wěn)定性影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，Li2CO3摻雜能夠

8、提高PFN-PNN-PZT-xLi陶瓷體系介電溫度系數(shù)γ，但是會(huì)惡化壓電性能，當(dāng)x=1.5%時(shí)陶瓷具有相對(duì)較好的電學(xué)性能，分別為d33=820 pC/N、kp=0.63、εr=6628、tanδ=2.8%、Ec=4.48 kV/cm和γ=17%。然而，ZnO摻雜不僅能有效提高PNN-PFN-PZT-xZn體系矯頑場(chǎng)Ec、壓電常數(shù)溫度穩(wěn)定性，而且能增加其居里溫度，在x=0.04時(shí)獲得最佳的綜合性能：d33=810 pC/N、εr=6243

9、、Ec=4.7 kV/cm、Δd31/d3130℃=21%以及Tm=136℃。
　　以固相法合成的PNN-PZT和PNN-PFZT壓電陶瓷為原料，采用擠壓成型工藝成功制備含 Pt金屬芯壓電陶瓷纖維?；谖覀兦捌谘芯抗ぷ?，本文進(jìn)一步討論燒結(jié)工藝、材料結(jié)構(gòu)與電學(xué)性能之間關(guān)系，發(fā)現(xiàn)適當(dāng)提高燒結(jié)溫度和延長(zhǎng)燒結(jié)時(shí)間可以提高這些壓電陶瓷纖維的電學(xué)性能。特別指出的是，在1200℃保溫2 h燒結(jié)條件下獲得形貌較好且性能較佳的PNN-PFZT陶瓷纖