PMN-PZT系压电陶瓷的性能和掺杂改性研究

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Pb(Mg1/3Nb2/3)O3(简称PMN)陶瓷具有较高的介电、压电性能,但是居里温度较低,Pb(ZrxT1-x)O3(简称PZT)虽然具有较高的居里温度,然而室温下压电性能不高,向PZT中添加PMN构成的新型三元系压电陶瓷材料,综合了两者的优异性能,并且容易通过改变各成分含量和元素掺杂来调控性能,是制造多层压电陶瓷电容器、精密微位移器、传感器、制动器、医用超声换能器等功能器件的理想材料。本文主要研究用于制备长条状压电双晶片的压电陶瓷,以PMN-PZT三元系压电陶瓷作为研究对象,采用铌铁矿预产物合成法制备MgNb2O6粉体,然后合成纯钙钛矿结构的PMN-PZT陶瓷,首先通过优化PMN组分的含量和调整Zr/Ti比,寻找性能较优异的成分。当Zr/Ti比为52/48时,随着体系中PMN含量的增加,陶瓷的居里温度显著下降,室温下介电常数逐步提高,在PMN含量为25mo1%时,陶瓷的压电性能比较优异,d33=260pC/N, K31=0.36, Qm=131。当PMN含量一定时,陶瓷的居里温度随着Zr/Ti比的增加而降低,当PMN含量为20mo1%时,Zr/Ti比值为48/52-52/48时,陶瓷处于MPB附近,当PMN含量为25mo1%时,陶瓷MPB区的Zr/Ti比值变化为44/56-48/52,表明随着PMN含量的增加,陶瓷的MPB区向Zr/Ti比降低的方向移动。然后通过向PMN-PZT体系中掺杂Si2+、Ba2+、La3+、Nb5+和Ni2+离子,系统研究各种离子对材料的相结构、显微结构、压电性能和介电性能等方面影响的变化规律。Sr2+的掺杂使得陶瓷的居里温度直线下降,当Sr置换量为10mol%时,试样的介电、压电性能较优异:ε=4731, tan6=0.026, d33=530pC/N, K31=0.42,Qm=73.5,但居里温度较低,Tc=154℃。当采用Ba取代部分的Sr对材料进行复合掺杂时,陶瓷的居里温度呈逐渐上升的趋势,但由于陶瓷成分逐渐偏离MPB区,所以陶瓷的介电、压电性能降低。La3+的加入同样使得陶瓷居里温度显著下降,室温下£逐渐增大,当La203掺杂量超过0.75wt%时,陶瓷中有焦绿石相产生,压电、介电性能降低,当La203掺杂量为0.25wt%时,陶瓷具有较好压电性能:d33=509pC/N, K31=0.45, Qm=82.5。添加少量的Nbs+或Ni2+时,陶瓷的性能都有所提高,且陶瓷的居里温度几乎不变,过量加入则致使陶瓷性能下降,当Nb205掺杂量为0.2wt%时,材料的介电、压电性能较为优异:ε=3850, tan0=0.019, d33=528pC/N, K31=0.45, Qm=57;当NiCO3掺杂量为0.1wt%时,材料性能较好:ε=3830, tanθ=0.017, d33=501pC/N, K31=0.43, Qm=87。
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