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)行波超聲波電機用壓電陶瓷的性能要求，對壓電陶瓷的研究和發(fā)展狀況進行了綜合評述，在總結了鋯鈦酸鉛二元系壓電陶瓷的組成、結構與性能之間關系的基礎上，結合多元系固溶和摻雜改性對晶體結構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，電介質介電損耗理論以及介電損耗和機械損耗相關性理論，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材料體系進行了深入的研究；進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構、顯微結構、介電損耗、機械品質因數(shù)以及壓電性能之間關系的影響，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溫度、微觀顯微結構、壓電性能和介電性能的影響，同時也研究了退火工藝對提高壓電性能的作用。在大量實驗的基礎上，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、晶體結構、材料性能、制備技術之間的關系。設計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，并得到了具有實際意義和應用價值的研究成果。 對Sr、Mn摻雜改性的PZN-PZT陶瓷的研究表明，通過調節(jié)PZN含量和Zr/Ti比可以確定體系的準同型相界線區(qū)域。隨著PZN含量的增加，PZN-PZT陶瓷的準同型相界的(Zr,Ti)組成向富鈦的方向移動，而隨著Zr/Ti比的增加，PZN-PZT陶瓷的晶體結構向三方相轉變，從而

4、可以確定準同型相界區(qū)靠近三方相的組成。PZN含量的增加可以降低陶瓷的燒結溫度，而Zr/Ti比的提高則使陶瓷的燒結溫度升高。設計和制備出了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。當摻入0.2wt﹪Co2O3時，PZCNT陶瓷的介電常數(shù)εT33/ε0由未摻雜時的1100下降為700，介電損耗tgδ由未

5、摻雜時的0.024迅速下降到0.005，當摻入0.4wt﹪Co2O3時，tgδ達到最小值0.003，Qm由180增大到1100左右。提出了Co2O3摻雜量和介電損耗機制的關系，即當Co2O3的摻雜量較少或未摻雜時，介電損耗機制由轉向極化的慢極化主導，而當Co2O3的摻雜量較高時，介電損耗機制由漏導損耗主導，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)陶瓷的燒結溫度、顯微結構、壓電性能的影響。研究結果顯示，添加PCW不僅可以有效降低PZCNT陶瓷的燒結溫度，而且還有利于提高壓電性能。添加1.5wt﹪PCW時，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。 退火溫度和保溫時間對壓電性能影響的研究表明，適當?shù)耐嘶饻囟群捅貢r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℃，保溫時間為10h，壓電常數(shù)d33由沒退火時的240pC/N增大到退火處理后的310pC/N，介電常數(shù)εT33/ε0由710增