高品质、低损耗PZT基多组元压电陶瓷材料的研究

发布时间：2020-07-08 12:33

【摘要】：压电陶瓷作为21世纪一种重要的信息功能材料,在人类生产生活的各个领域受到非常广泛的应用。随着社会的不断发展,人们对压电陶瓷材料性能的要求也越来越高,开发具有高性能的压电陶瓷材料已势在必行。以PNN-PZT基压电陶瓷为代表,因其具有较高的压电性能,而受到广泛的关注,本文将采用传统的固相烧结法,通过添加新组元以及离子掺杂两种方式对PNN-PZT基压电陶瓷进行改性,具体内容如下:(1)首先以PMS-PNN-PZT四元系压电陶瓷为研究对象,通过优化PMS与PNN-PZT之间的比例,找到性能最佳的陶瓷配方。研究发现,PMS-PNN-PZT陶瓷具有非常明显的介电弛豫行为,且PMS系可以显著降低体系的介电损耗值,当PMS含量为1 mol%时,陶瓷压电性能最佳:d33=725 p C/N、kp=0.57、εr=5930、tanδ=0.654%、γ=1.9937、Tc=130℃,并以此为基础配方,对压电陶瓷体系进行掺杂改性研究;(2)研究等价离子氧化物Sr CO3对PMS-PNN-PZT基压电陶瓷相结构、微观形貌、压电性能以及介电性能的影响。研究发现,掺杂Sr2+有助熔作用,适量的掺杂有助于晶粒的生长,促进晶粒长大,提高压电性能,当Sr CO3含量为1 mol%时,具有最佳性能:d33=818 p C/N、kp=0.61、εr=6998、tanδ=0.905%、γ=1.9076、Tc=115℃。并在上述实验最佳结果的基础上,进一步添加La2O3,通过对比可以发现,掺入La3+明显降低了体系的压电性能;(3)研究低价离子氧化物Co2O3对PMS-PNN-PZT基压电陶瓷相结构、微观形貌、压电性能以及介电性能的影响。研究发现,所有样品均呈单一钙钛矿结构,当Co2O3掺杂含量为0.4 wt.%时,样品具有最佳的电学性能值:d33=768 p C/N、kp=0.63、εr=6011、tanδ=0.8%、γ=1.9399、Tc=131℃;(4)研究高价离子氧化物Ta2O5对PMS-PNN-PZT基压电陶瓷相结构、微观形貌、压电性能以及介电性能的影响。研究发现,适量的掺杂有益于晶粒的生长,提高陶瓷的致密性,当Ta2O5的掺杂含量为0.4 wt.%时,体系压电性能最佳。通过铁电性能分析,此时样品剩余极化强度达到最大,且矫顽场较小,铁电性能达到最佳。综上,最佳性能值分别为:d33=805 p C/N、kp=0.66、εr=6838、tanδ=1.4%、γ=1.9618、Tc=118.5℃、Pr=21.91μC/cm2、Ec=3.652 k V/cm。
【学位授予单位】：贵州大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TQ174.75
【图文】：

正压电效应,逆压电效应,压电效应,示意图

1.1.1 压电效应压电陶瓷是一种具有机械能和电能相互转换的多晶体材料，已成为 21 世纪重要的信息功能材料之一[1-3]。19 世纪 80 年代初居里兄弟通过对电气石以及石英施加应力时，产生了电荷，进而发现了压电性。随后，他们又发现了逆压电效应。当对压电陶瓷施加外应力时，其表面会发生收缩形变现象，使得压电陶瓷内部的剩余极化强度降低，内部表面束缚电荷减少，多余的自由电荷出现在压电陶瓷的两端，就会出现放电现象[4]，如图 1-1（a）所示。这种由“压”产生“电”的效应称作正压电效应，即机械能向电能的转化。当对压电陶瓷施加一个沿极化方向的电场时，陶瓷的剩余极化强度会出现相应的变化，其表面产生伸缩形变，如图 1-1（b）所示。这种由“电”产生“伸缩”的效应称作逆压电效应，即电能向机械能的转化[5]。

曲线,电滞回线,压电陶瓷

NN-PZT 体系[25-28]具有较高的弥散系数值，陶瓷的介电弛豫程铁电体来说，弥散系数 γ 值可通过修正的居里-外斯（Curie-拟合得出：1 1 =( ) , T ≥ Tm, 1 ≤ γ ≤ 2 (1-8)，m为介电常数的最大值；Tm为m所对应的温度，单位用℃-Weiss 常数。（P-E 曲线）强的交变电场作用下，铁电体的极化强度 P 随外电场呈非线性度范围内，极化强度（P）表现为电场（E）的双值函数，并表个 P-E 曲线被称之为电滞回线，如图 1-2 所示。从电滞回线能电体的自发极化强度（Ps），剩余极化强度（Pr）以及矫顽场小。

压电陶瓷,钙钛矿,结构示意图,锆钛酸铅压电陶瓷

第一章绪论铅压电陶瓷压电陶瓷中最具代表性的是锆钛酸铅压电陶瓷，化学)O3（简称 PZT），在 20 世纪 50 年代，被美国学者所发现、介电、热释电及铁电性能而广泛应用在生产生活中各个体 PbTiO3以及反铁电体 PbZrO3结合形成的二元固溶体。典型的钙钛矿结构压电陶瓷，其通式为 ABO3，如图 1-3 BO3结构中的 A 位，Zr4+和 Ti4+共同占据在 B 位上。

【参考文献】