掺杂和组分对PNN-PHT压电陶瓷性能影响研究

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压电陶瓷具有优良的压电、介电以及铁电性能,已被广泛应用于制动器、多层电容器、传感器和换能器等领域。为进一步满足大功率器件对其高压电性能的需求,近年来,铅基驰豫铁电陶瓷材料被大量研究,其中,钙钛矿结构的Pb(Nb,Ni)O3-Pb(Hf,Ti)O3(PNN-PHT)三元压电陶瓷具有优异的压电性能,有望成为一种高性能压电陶瓷材料。本文以PNN-PHT三元压电陶瓷材料为研究对象,通过离子掺杂以及组分调控对其进行改性研究,探讨相应的调控机制。主要内容和结论如下:采用两步固相反应法,制备了添加Li2CO3和Al2O3的0.49Pb(Ni1/3Nb2/3)O3-0.51P b(Hf0.3Ti0.7)O3陶瓷,研究了Li+和Al3+离子对0.49Pb(Ni1/3Nb2/3)O3-0.51Pb(Hf0.3Ti0.7)O3陶瓷的微观结构、压电和介电性能的影响。结果表明,Li+-Al3+离子对可在PNN-PHT中构建缺陷偶极子,获得更大的压电响应。研究发现,采用0.4 at%Li+-Al3+掺杂时,PNN-PHT陶瓷获得了最优的电学性能:d33=1040p C/N,εr=6800,kp=0.59,Qm=60,tanδ=0.023和Tc=130°C。系统研究了PNN组分含量以及掺杂剂Sm2O3对yPb(Ni1/3Nb2/3)O3-(1-y)Pb(Hf0.3Ti0.7)O3压电陶瓷微观结构、压电和介电性能的影响。结果表明,稀土元素Sm在PNN-PHT中成功构建异质结构区域,引起压电性能的提升,Sm2O3的最佳掺杂浓度随PNN含量的增大而增加。电学性能测试结果表明,在0.51PNN-0.49PHT这一组分体系下,Sm2O3掺杂含量为0.45 at%时,PNN-PHT陶瓷的性能为d33=1150p C/N,εr=9800,kp=0.59,Qm=60,tanδ=0.078和Tc=105°C。采用两步固相反应法,制备了Sb2O3掺杂的0.49Pb(Ni1/3Nb2/3)O3-0.51Pb(Hf0.3Ti0.7)O3和0.49Pb(Ni1/3Nb2/3)O3-0.51Pb(Hf0.4Ti0.6)O3陶瓷。结果表明,Sb5+取代了PNN-PH T晶体中的B位离子,在Hf/Ti比为3/7,Sb2O3掺杂含量为0.25 at%时,PNN-PHT陶瓷的性能为d33=1100p C/N,εr=6120,kp=0.60,Qm=51,tanδ=0.023和Tc=130°C,在Hf/Ti比为4/6,Sb2O3掺杂含量为0.25 at%时,PNN-PHT陶瓷的性能为d33=1010p C/N,εr=5820,kp=0.61,Qm=58,tanδ=0.021和Tc=135°C。研究表明,Hf/Ti比例越高,Sb2O3的固溶度更大,且掺杂浓度在固溶度附近时,PNN-PHT陶瓷的压电性能更为优异。
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