【摘 要】
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铌镁酸铅-钛酸铅（PMN-PT）基压电陶瓷是典型的弛豫铁电体,具有较高的介电常数、电致伸缩系数和热释电系数,是制造致动器、微位移驱动器、多层陶瓷电容器、电学器件、光学器件的理想材料。稀土元素掺杂可以有效提高PMN-PT基陶瓷的电学性能。然而,采用传统的混合氧化物烧结工艺制备的陶瓷往往产生大量焦绿石晶相,劣化了陶瓷的电学性能。本工作选择稀土元素Sm,La作为掺杂元素,分别研究了三方/四方晶相混合共烧
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铌镁酸铅-钛酸铅（PMN-PT）基压电陶瓷是典型的弛豫铁电体,具有较高的介电常数、电致伸缩系数和热释电系数,是制造致动器、微位移驱动器、多层陶瓷电容器、电学器件、光学器件的理想材料。稀土元素掺杂可以有效提高PMN-PT基陶瓷的电学性能。然而,采用传统的混合氧化物烧结工艺制备的陶瓷往往产生大量焦绿石晶相,劣化了陶瓷的电学性能。本工作选择稀土元素Sm,La作为掺杂元素,分别研究了三方/四方晶相混合共烧工艺和两步预烧工艺对Sm,La掺杂PMN-PT陶瓷晶相和电学性能的影响。成功抑制了焦绿石晶相的产生。研究工作分为四个部分:1,采用铌铁矿预合成法分别制备Pb(Mg1/3Nb2/3)0.67Ti0.33O3（组分A）和Pb1-1.5xSmx(Mg1/3Nb2/3)yTi1-yO3（组分B,x=0.0417～0.0833,y=0.7533～0.8367）两种不同晶相的陶瓷粉体。再将A和B两种组分按照设计比例混合,经造粒、成型、烧结得到了（1-w）[Pb(Mg1/3Nb2/3)0.67Ti0.33O3]-w[Pb1-1.5xSmx(Mg1/3Nb2/3)yTi1-yO3]（w=0.3,0.4,0.5,0.6）（简称（1-w）PMN-w PSMN-PT）压电陶瓷。X射线衍射和扫描电镜结果显示,样品为较纯的钙钛矿结构,晶粒之间结合紧密,平均尺寸为5.18μm。根据阿基米德原理测得陶瓷的致密度为97.8%。与传统铌酸盐工艺制备的样品相比,陶瓷的电学性能大幅提升。当w=0.5时,陶瓷的电学性能最佳,d33=1103 p C/N,kp=0.66,εr=9154,tanδ=0.044,Tm=81℃,Qm=28。2,采用两步预烧法制备了Pb0.9625Sm0.025(Mg1/3Nb2/3)1-xTixO3（x=0.28,0.29,0.30,0.31）压电陶瓷。研究了煅烧工艺和Ti含量对压电陶瓷晶相结构,微观形貌和压电性能的影响。结果表明,两步预烧工艺制备的压电陶瓷样品为纯钙钛矿结构,显著提高了陶瓷的电学性能。其准同型相界出现在x=0.30附近。此时,样品的压电应变常数d33,机电转换系数kp、相对介电常数εr、介电损耗tanδ、介电峰值温度为Tm分别为:1236 p C/N、0.69、11177、0.044、85℃。3,采用两步预烧法制备Pb1-1.5wLaw(Mg1/3Nb2/3)1-xTixO3（w=0.015,0.025,0.035,x=0.28,0.29,0.30,0.31）压电陶瓷（简称PLMN-PT）,研究La2O3和PT含量对其相结构、微观形貌、以及电学性能的影响。结果表明,两步预烧法制备的压电陶瓷样品为纯钙钛矿结构,晶粒平均尺寸为4.5±0.23μm。样品的晶相结构随着PT含量的增加由三方相逐渐转变为四方相,陶瓷的压电系数,机电耦合系数,介电常数,剩余极化强度,电致应变逐渐增大,达到峰值后减小。其准同型相界出现在PT含量为0.30 mol附近。当w=0.025,x=0.30时,样品的压电系数d33～1010 p C/N,机电耦合系数kp～0.69,介电常数εr～10766,1 Hz,1.5 k V测试条件下场致应变S～0.23%。4,预先制备四方晶相的Pb(Mg1/3Nb2/3)0.66Ti0.34O3和三方晶相的Pb1-1.5xLax(Mg1/3Nb2/3)1-yTiyO3（x=0.0833～0.0417,y=0.2067～0.2733）粉体。采用三方/四方晶相粉体混合共烧法,将两种晶相的粉体按照设计比例（三方晶相摩尔分数w=0.3,0.4,0.5,0.6）混合烧结,制备了总化学成分相同,晶相占比不同的Pb0.9625La0.025(Mg1/3Nb2/3)0.70Ti0.30O3陶瓷。研究了不同晶相比例对陶瓷晶相结构和电学性能的影响。结果显示,陶瓷样品均为三方晶相和四方晶相共存的钙钛矿结构,晶粒平均尺寸为5.24μm,相对密度为96.76%。当w=0.5时,陶瓷样品中三方晶相含量与四方晶相含量基本相等,样品的电学性能达到最佳:d33～1014 p C/N,kp～0.67,kt～0.64,εr～10955,Pr～24μC/cm~2,S～0.21%（1 Hz,3.5 k V）。
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