低介電常數(shù)低損耗PZN-PZT壓電陶瓷的制備及性能研究.pdf

1、論文依據(jù)行波超聲波電機(jī)用壓電陶瓷的性能要求，對壓電陶瓷的研究和發(fā)展?fàn)顩r進(jìn)行了綜合評述，在總結(jié)了鋯鈦酸鉛二元系壓電陶瓷的組成、結(jié)構(gòu)與性能之間關(guān)系的基礎(chǔ)上，結(jié)合多元系固溶和摻雜改性對晶體結(jié)構(gòu)的影響以至于對提高壓電性能的作用，并根據(jù)德拜馳豫極化理論，電介質(zhì)介電損耗理論以及介電損耗和機(jī)械損耗相關(guān)性理論，提出了確定高性能低介電常數(shù)的組成區(qū)域選取原則，并選擇了PZN-PZT材料體系進(jìn)行了深入的研究；進(jìn)行了鉛基鈣鈦礦材料的B位硬性摻雜，A、B位化合物

2、固溶改性以及A、B位固溶摻雜改性相結(jié)合的研究。討論了化合物固溶和金屬氧化物摻雜改性對材料的晶體結(jié)構(gòu)、顯微結(jié)構(gòu)、介電損耗、機(jī)械品質(zhì)因數(shù)以及壓電性能之間關(guān)系的影響，并在壓電陶瓷的制備工藝上，研究了陶瓷的低燒工藝對陶瓷的燒結(jié)溫度、微觀顯微結(jié)構(gòu)、壓電性能和介電性能的影響，同時(shí)也研究了退火工藝對提高壓電性能的作用。在大量實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，利用XRD、SEM、Raman散射光譜、壓電性能和介電性能測試等現(xiàn)代測試手段研究了改性的PZN-PZT陶瓷的物相組

3、成、晶體結(jié)構(gòu)、材料性能、制備技術(shù)之間的關(guān)系。設(shè)計(jì)和制備出了低介電常數(shù)低損耗高性能的PZN-PZT壓電陶瓷材料，并得到了具有實(shí)際意義和應(yīng)用價(jià)值的研究成果。 對Sr、Mn摻雜改性的PZN-PZT陶瓷的研究表明，通過調(diào)節(jié)PZN含量和Zr/Ti比可以確定體系的準(zhǔn)同型相界線區(qū)域。隨著PZN含量的增加，PZN-PZT陶瓷的準(zhǔn)同型相界的(Zr,Ti)組成向富鈦的方向移動，而隨著Zr/Ti比的增加，PZN-PZT陶瓷的晶體結(jié)構(gòu)向三方相轉(zhuǎn)變，從而

4、可以確定準(zhǔn)同型相界區(qū)靠近三方相的組成。PZN含量的增加可以降低陶瓷的燒結(jié)溫度，而Zr/Ti比的提高則使陶瓷的燒結(jié)溫度升高。設(shè)計(jì)和制備出了d33=280pC/N，kp=0.63，εT33/ε0=900，tgδ=0.003的壓電陶瓷材料。 探索出了Co2O3改性PZN-PZT(簡記PZCNT)低損耗壓電陶瓷材料。當(dāng)摻入0.2wt﹪Co2O3時(shí)，PZCNT陶瓷的介電常數(shù)εT33/ε0由未摻雜時(shí)的1100下降為700，介電損耗tgδ由未

5、摻雜時(shí)的0.024迅速下降到0.005，當(dāng)摻入0.4wt﹪Co2O3時(shí)，tgδ達(dá)到最小值0.003，Qm由180增大到1100左右。提出了Co2O3摻雜量和介電損耗機(jī)制的關(guān)系，即當(dāng)Co2O3的摻雜量較少或未摻雜時(shí)，介電損耗機(jī)制由轉(zhuǎn)向極化的慢極化主導(dǎo)，而當(dāng)Co2O3的摻雜量較高時(shí)，介電損耗機(jī)制由漏導(dǎo)損耗主導(dǎo)，從而成功地解釋了隨著Co2O3的摻雜量的增加，材料的介電損耗由高到低，達(dá)到最低值后再由低到高的物理現(xiàn)象。 添加微量的NaNb

6、O3可以提高PZN-PZT陶瓷的壓電性能，而介電損耗卻略微降低。研究顯示：添加2.3mol﹪的NaNbO3可以使d33由未添加NaNbO3時(shí)的350pC/N提高到510pC/N，kp由0.58上升到0.62，介電損耗因子tgδ由0.024降為0.020。將0.3wt﹪的Co2O3和1mol﹪的NaNbO3同時(shí)添加到Pb0.95Sr0.05[(Zr0.54Ti0.46)0.9(Zn1/3Nb2/3)0.10]O3陶瓷中，可以得到介電常數(shù)低

7、和壓電性能優(yōu)良的壓電陶瓷，可以得到d33=310pC/N，kp=0.59，εT33/ε0=985，tgδ=0.34﹪，Qm=1380的壓電性能和介電性能。 研究了Pb(Cu1/2W1/2)O3(簡記PCW)對Co2O3改性PZN-PZT(簡記PZCNT)陶瓷的燒結(jié)溫度、顯微結(jié)構(gòu)、壓電性能的影響。研究結(jié)果顯示，添加PCW不僅可以有效降低PZCNT陶瓷的燒結(jié)溫度，而且還有利于提高壓電性能。添加1.5wt﹪PCW時(shí)，PZCNT陶瓷的燒

8、成溫度由原來的1250℃下降到1050℃，而d33由220pC/N上升到265pC/N，tgδ和Qm變化不大，分別為0.004和927。 退火溫度和保溫時(shí)間對壓電性能影響的研究表明，適當(dāng)?shù)耐嘶饻囟群捅貢r(shí)間可以提高材料的壓電性能。對于添加1wt﹪PCW且在1050℃燒成的PZCNT陶瓷，退火溫度為900℃，保溫時(shí)間為10h，壓電常數(shù)d33由沒退火時(shí)的240pC/N增大到退火處理后的310pC/N，介電常數(shù)εT33/ε0由710增