大應(yīng)變壓電陶瓷制備與性能研究.pdf

1、本文通過傳統(tǒng)固相法制備目標(biāo)壓電陶瓷以實現(xiàn)大應(yīng)變應(yīng)用。選取的PLZT-PZN體系具有極高的壓電性能,但是La3+的引入會導(dǎo)致居里溫度Tc的急劇降低,實驗結(jié)果表明該體系不能同時獲得高壓電系數(shù)d33、高Tc和低損耗tanδ。根據(jù)已有的研究結(jié)果,PZN具有高居里溫度(Tc=140°C)但是PZT-PZN使用傳統(tǒng)固相法制備不可避免會產(chǎn)生焦綠石相,嚴(yán)重影響壓電性能。PZT-PNN體系則具有極高的壓電性能,但是PNN的居里溫度(-120°C)較低。因

2、此將PZN和PNN結(jié)合,有望制備出滿足目標(biāo)性能的大應(yīng)變壓電陶瓷。本文采用傳統(tǒng)固相法合成0.7PZT-xPZN-(0.3-x)PNN(x=0.07,0.10,0.13,0.16,0.20)粉體,使用傳統(tǒng)燒結(jié)方式燒結(jié)制備壓電陶瓷試樣,在PZN含量為10mol％時得到最佳壓電系數(shù)d33=550pC/N。在此基礎(chǔ)上進行鋯鈦比系列實驗(Zr/Ti=44/56-48/52)確定相界組成為Zr/Ti=45/55-46/54之間,d33=550-570

3、pC/N,Tc=252°C,tanδ=1.45-1.65%。在最佳組成基礎(chǔ)上進行少量La摻雜、微量 PFW引入以及鉛含量實驗均未能提高壓電系數(shù)d33。
　　改進燒結(jié)工藝,使用新的燒結(jié)方式提高鉛氣氛濃度,顯著提升了各項壓電性能,d33達到600pC/N以上,最佳的成型和極化條件是:400MPa干壓成型,硅油浴中2.7kV/mm直流電場120°C極化10-15min。鋯鈦比系列實驗表明Zr/Ti=46/54組成在1180°C燒結(jié)時獲得

4、最佳的壓電介電性能:d33≈640 pC/N,ε33T/ε0≈3300,tanδ≈1.85%,Kp=0.655,Tc=272°C。XRD分析確定相界組成為Zr/Ti=46/54,SEM結(jié)果表明燒結(jié)溫度對陶瓷晶粒尺寸有顯著影響,在1180-1200°C之間晶粒尺寸顯著增加。較小的晶粒尺寸因晶界的釘扎效應(yīng)可以改善陶瓷的老化性能,利用小晶粒的尺寸效應(yīng)采用高溫極化進一步增加了壓電性能。
　　雙極應(yīng)變曲線表明0.7PZT-0.1PZN-0.

5、2PNN體系具有極高的場致應(yīng)變:0.8kV/mm交變電場下應(yīng)變極值為0.26%,3.0kV/mm交變電場下應(yīng)變極值為0.45%。鋯鈦比組成對矯頑場和應(yīng)變極值影響顯著,矯頑場隨鋯鈦比增加先減小后增加,相界附近偏四方相組成矯頑場較高且保持高的d33,而三方相組成d33急劇降低,因此高電場下應(yīng)變極值隨組成變化與d33變化趨勢基本一致。單極應(yīng)變曲線表明該體系具有較低的應(yīng)變遲滯,適用于大應(yīng)變驅(qū)動器應(yīng)用。最佳組成試樣在1180°C燒結(jié)時因具有較高的

6、居里溫度(Tc=272°C)和較小的晶粒尺寸,在較高熱處理溫度下仍能保持較好的極化狀態(tài),在退極化溫度為180°C時仍能保持570pC/N的高壓電系數(shù),因此有望實現(xiàn)較寬溫度范圍內(nèi)的大應(yīng)變應(yīng)用。
　　同時本文對B位離子氧化物前驅(qū)體法制備PZT-PZN-PNN四元系壓電陶瓷做了初步探索,研究表明B位前驅(qū)體法可以制備具有純的鈣鈦礦結(jié)構(gòu)的壓電陶瓷并獲得較高的壓電性能,同時前驅(qū)體粉體的合成溫度相比于文獻報道要降低很多,值得進一步實驗論證。