超高介电、压电常数钙钛矿压电陶瓷材料的研究

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随着电子元器件向着微型化、薄及集成化的方向不断发展,其中对于压电陶瓷材料性能的要求也不断提高。因此,开发高性能的压电陶瓷材料就显的尤为必要,其中超高介电、压电常数压电陶瓷材料就是其中一种,但是其对于电场强度、温度及频率等外界条件非常的敏感。因此进一步的研发以及研究好这类超高介电、压电常数的压电陶瓷材料是十分有必要的。在本文中,以具有较高介电常数的铌镍锆钛酸铅 Pb(Ni1/3Nb2/3)0.5(ZrxTiy)0.5O3(0.5PNN-0.5PZT)压电陶瓷为基础的研究对象,通过传统的氧化粉末固相的方法进行制备。通过使用XRD、SEM以及介电温谱系统、阻抗分析仪等仪器,展开了压电陶瓷的工艺调整、掺杂改性及准同型相界(morphotropic phase boundary,MPB)组分附近进行调整的相关研究。  首先,进行工艺调整,探究了不同分散剂种类及浓度对0.5PNN-0.5PZT压电陶瓷相结构、显微形貌、电学性能的影响。结果发现,当分散剂的种类为柠檬酸铵,浓度为15 wt.%陶瓷的分散效果最佳,陶瓷样品的微观结构致密,并具有最佳电学性能:压电常数d33=665 pC/N,介电损耗tanδ~2.06%。  其次,进行掺杂改性,一方面,研究了金属氧化物 Co2O3掺杂对0.5PNN-0.5PZT压电陶瓷的相结构、显微形貌、电学性能及介电弛豫行为、居里温度的影响。研究发现,掺杂Co2O3时,样品介电性能有所改善,介电损耗明显的降低。当掺杂0.4 wt.%时,陶瓷特征衍射峰为矩形状,居里温度达到最小值,陶瓷样品的介电弛豫行为最明显以及其综合电学性能最佳。  另一方面,研究了稀土氧化物Sm2O3及CeO2掺杂含量对0.5PNN-0.5PZT陶瓷性能的影响。结果表明,当Sm2O3掺杂量为0.2 wt.%时,陶瓷在45°的特征衍射峰为三角形状,此时陶瓷样品具有最差的综合电学性能:d33=605 pC/N, kp=55%,εr=5020,tanδ~2.20%。同时,弥散系数γ也取得最大值(1.998),说明陶瓷电学性能与介电弛豫行为存在一定的联系。同时,当掺杂量都为0.4%时,稀土氧化物CeO2掺杂能够改善陶瓷的电学性能以及提高其居里温度(151℃),其特征衍射峰为矩形状;然而稀土 Sm2O3掺杂反而降低了陶瓷的电学性能及居里温度(127℃)。  最后,对MPB附近的组分进行了调整,研究了不同比例成分的PNN/PZT对Pb(Zn1/3Nb2/3)c(Ni1/3Nb2/3)a(ZrxTiy)bO3(PZN-PNN-PZT)陶瓷性能的影响,其中PNN/PZT比例分别为0.88,1.00和1.136。研究结果发现,当PNN/PZT=1.00时,在PZN-PNN-PZT中找到一个最佳的新型的准同型相界成分点,特征衍射峰为矩形状,晶粒饱满、剩余极化强度 Pr较高,此时陶瓷具有最佳的综合电学性能,分别为d33=800 pC/N,kp=0.63,εr~6020,tanδ~2.31%,此外陶瓷的衍射斑点说明其是一种多晶材料。
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