PMS-PZT基超声波电机用压电陶瓷的制备及其性能研究

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超声波电机是基于压电陶瓷的超声波频率振动实现驱动的新型电机。基于Pb(Mn1/3Sb2/3)O3-Pb(Zr,Ti)O3(PMS-PZT)系列的压电陶瓷同时具有较高的机电耦合系数kp和较高的机械品质因数Qm,是非常理想的超声波电机用压电陶瓷材料。本论文采用固相合成法成功制备PMS-PZT基三元系超声波电机用压电陶瓷材料,寻找其准同型相界以及在准同型相界附近进行掺杂改性和低温烧结,对其相结构、显微形貌、压电介电性能、烧结性能以及强场损耗进行了系统研究。首先系统研究了Zr/Ti比对PMS-PZT基陶瓷相结构、显微形貌、介电和压电性能的影响。研究发现,随着陶瓷Zr含量的增加,陶瓷逐渐由FT相向FR相转变。再结合陶瓷样品的压电性能分析可以知道,当Zr含量为0.505时,陶瓷此时处于准同型相界附近并拥有最优的压电性能。对陶瓷的显微结构分析,发现随着Zr含量的增加,陶瓷的晶粒尺寸逐渐增加,然后不变。当Zr含量为0.505时,在1190℃烧结的陶瓷具有最佳的电学性能,陶瓷的各项性能参数分别为:d33=420 p C/N,kp=0.649,Qm=1213,tanδ=0.22%。接下来我们在前面实验的基础上添加各种氧化物来改善陶瓷的各项性能。其中我们通过掺杂Nb2O5来改善陶瓷的压电性能、显微形貌、烧结性能以及强场损耗。通过对陶瓷的XRD分析表明,掺入少量的Nb2O5发现对陶瓷的相结构没有显著的影响,这可能是掺杂量比较少的原因。由于Nb2O5属于软性掺杂,掺入Nb2O5可以提高陶瓷的压电性能。通过对陶瓷的SEM和铁电介电性能分析,表明掺入Nb可以抑制陶瓷晶粒的生长,促进陶瓷的烧结,提高陶瓷的密度,降低陶瓷的强场损耗,提高陶瓷的阻抗。通过在不同温度下烧结掺杂Nb2O5的陶瓷,研究PMS-PZT基压电陶瓷在不同烧结温度下的显微形貌、压电性能以及它们之间的关系。发现随着烧结温度的升高,陶瓷的晶粒尺寸不断增大,在1190 ℃下获得了晶粒发育良好,压电性能较好的陶瓷,陶瓷的各项性能参数为:d33=410 p C/N,kp=0.629,Qm=1728,tanδ=0.2%,tanδ=0.9%(400 v/mm)。最后通过过渡液相烧结成功地制备了稀土氧化物改性的PMS-PZT+x wt.%CuO+y wt.%Bi2O3(x,y=0-0.2)的三元电陶瓷。研究发现Cu2+和Bi3+都可以取代A位Pb离子,并明显引起晶格收缩和畸变降低。然而,发现仅添加少量的CuO可以有效降低陶瓷的烧结温度,维持良好的压电性能和穿晶断裂模式,但明显增加了平均晶粒尺寸和高场介电损耗。进一步的实验结果表明,通过共同掺杂CuO和Bi2O3可以有效地抑制陶瓷的晶粒长大,降低高场介电损耗。在1050 ℃烧结的0.05wt.%CuO和0.15 wt.%Bi2O3共掺杂的PMS-PZT陶瓷具有出色的介电和压电性能,d33=410 p C/N,kp=0.62,Qm=1478,εr=1550,tanδ=0.8%(400 V/mm),Tc=330 ℃。实验结果可为多层压电致动装置提供坚实的基础。
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