【摘 要】
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高性能压电材料具有高机电耦合系数、高压电系数、高介电常数等优异性能,为宽带、高分辨率、高灵敏度医学超声成像和水声探测及高功率密度压电能量收集器等器件研发带来了希望。铌镁酸铅-钛酸铅(Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-Pb Ti O3,以下简称PMN-PT)二元系陶瓷是近年来快速发展的一种弛豫铁电材料,具有高介电、高压电、低烧结温度等特点,在微位移驱动器、超声换能器、加速度传感器等方面有广阔的应用前
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高性能压电材料具有高机电耦合系数、高压电系数、高介电常数等优异性能,为宽带、高分辨率、高灵敏度医学超声成像和水声探测及高功率密度压电能量收集器等器件研发带来了希望。铌镁酸铅-钛酸铅(Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-Pb Ti O3,以下简称PMN-PT)二元系陶瓷是近年来快速发展的一种弛豫铁电材料,具有高介电、高压电、低烧结温度等特点,在微位移驱动器、超声换能器、加速度传感器等方面有广阔的应用前景。本论文采用一种改进的两步固相反应法制备了不同稀土氧化物掺杂的71PMN-29PT基压电陶瓷;并系统研究了掺杂剂类型及掺杂量对材料相组成、微结构以及机电性能的影响;最后对陶瓷在不同幅值电场驱动谐振时出现的电学性能退化行为及其能量损耗机制做了研究。主要内容如下:1.研究了五种氧化物（Gd2O3、Y2O3、CeO2、La2O3、Yb2O3,掺杂量均为1.4 wt.%）掺杂剂对71PMN-29PT陶瓷微观结构及电学性能的影响。XRD和SEM分析发现:所有掺杂样品均呈钙钛矿结构,其中掺杂La2O3的样品结构最为致密、尺寸最均匀。介电温谱研究表明:掺杂Gd2O3、Yb2O3和La2O3均能使PMN-PT陶瓷的介电常数得到明显提升。综合来看,掺杂Gd2O3的71PMN-29PT陶瓷兼具高介电常数（εr=6048）和高压电系数(d33=1089 p C/N)以及相对低的介电损耗值（tanδ=0.0285）,综合电学性能最优。2.研究了Gd2O3的掺杂量（x=1.0～2.0 wt.%）对71PMN-29PT陶瓷微观结构和电学性能的影响。研究显示出:随着Gd3+含量的增加,材料逐渐从三方相向四方相转变,当x=1.6 wt.%时材料处于MPB附近。适量的Gd3+掺杂可以抑制晶粒生长形成致密的微观结构,同时对铁电畴的结构形态也有显著影响。Gd3+掺杂虽然降低了体系的相变温度,但也能降低其相变过程的弛豫程度。随Gd3+的增加,71PMN-29PT陶瓷的负应变呈减小趋势。综合来看,71PMN-29PT-1.6Gd性能最优:εr=7040、d33=1210 p C/N、g33=17×10-3 Vm/N、kp=63%、Pr=20.6μC/cm~2、Smax=0.129%。3.研究了71PMN-29PT-1.6Gd陶瓷在不同幅值（0V～13V）电场驱动谐振下的电学性能退化行为及能量损耗机制。研究表明:施加一个与样品厚度谐振频率相同频率的交流电场驱动陶瓷圆薄片发生谐振,会导致其表面温度升高,从而引起能量耗损。在梯度功率水平的电场驱动下,样品的电学性能发生了明显的退化:d33和kp均下降到初始值的一半,g33的衰减达到60%;而在恒定功率水平的电场驱动下,样品则表现出良好的耐受性,其各项电学性能变化较小。
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