锰掺杂铌铟锌酸铅-钛酸铅体系压电陶瓷的机电性质研究

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Pb(In1/2Nb1/2)O3-Pb(Zn1/3Nb2/3)O3-PbTiO3(PIN-PZN-PT)压电陶瓷,拥有优异的综合性能,例如温度稳定性高、压电性能好等。但是PIN-PZN-PT压电陶瓷制备过程中易产生焦绿石相,较难得到纯钙钛矿相,这就导致体系机电性能大大降低,因此探索纯钙钛矿相PIN-PZN-PT压电陶瓷的制备工艺是十分重要的。另外,虽然PIN-PZN-PT压电陶瓷压电性能比较高,但是其机械品质因数Qm比较低,限制了PIN-PZN-PT压电陶瓷在大功率换能器当中的应用。硬性掺杂可以改善压电陶瓷体系的综合机电性能,提高体系的机械品质因数,正好可以弥补PIN-PZN-PT体系性能的不足。本文通过固相反应法制备出PIN-PZN-PT压电陶瓷。探究了前驱体InNbO4与ZnNb2O6的最佳烧结条件,得出InNbO4理想合成条件为:烧结温度1050℃,烧结时间2小时;ZnNb2O6理想合成条件为:烧结温度900℃,烧结时间2小时。在此基础上,研究出PIN-PZN-PT压电陶瓷理想的合成条件为:预烧温度720℃,预烧时间3小时,烧结温度1180℃,烧结时间3小时。研究发现在制备过程中加入2mol%的ZnO以及3 mol%的PbO,能够弥补高温区间PbO以及ZnO的挥发,制备出纯钙钛矿相的PIN-PZN-PT压电陶瓷。研究了不同浓度锰掺杂(0 mol%-2 mol%)对相界组分PIN-PZN-PT陶瓷机电性能的影响,发现49PIN-21PZN-30PT组分机电性能最为优越,机械品质因数Qm由不掺锰时的212提升到掺杂浓度为2 mol%时的2162,提高了近9倍,达到了通过硬性掺杂提升体系综合机电性能的预期效果,为高功率换能器提供了材料基础。硬性掺杂对压电陶瓷机电性能的影响规律已较明确,然而对铅基体系介电弛豫特性的影响规律尚不清晰。由于PIN-PZN-PT体系介电弛豫特性不明显,因此本文选择了弛豫性比较明显的PIN-PT体系中的85PIN-15PT为基质,研究了锰掺杂对体系介电弛豫特性的影响。发现随着锰掺杂浓度的增加,体系频率色散逐渐减小,ΔTm(最大测试频率200 kHz与最小测试频率100 Hz时的居里温度差值)由不掺杂时的10℃降低到锰掺杂浓度为1 mol%时的0℃。由于85PIN-15PT弥散性比较明显,锰掺杂对体系弥散因子影响不大。总体来说,硬性掺杂降低了压电陶瓷的介电弛豫特性,这为后续压电陶瓷的改性优化提供了实验基础。
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