模板晶粒生长技术制备PIN-PMN-PT织构陶瓷及其性能研究

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近年来,弛豫铁电单晶Pb(In1/2Nb1/2)O3-Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-PbTiO3(PIN-PMN-PT)在(001)方向上具有优异的压电性能和应变响应以及高的居里温度、相变温度和大的矫顽场而备受瞩目,但是由于制备工艺复杂、成品率低以及制备周期长等问题限制了其广泛应用。采用模板晶粒生长(TGG)技术,制备出的<001>取向的织构陶瓷可以大幅度提高压电陶瓷的电学性能,并且制备工艺简单,适合大规模生产。本文首先利用拓扑化学熔盐合成(TMSS)法制备出片状PbTiO3(PT)模板,并在此基础上首次合成出具有片状形貌的Pb(ZrxTi1-x)O3(PZT)晶粒,然后以PT模板为种晶,利用TGG技术制备出具有<001>取向的0.36PIN-0.30PMN-0.34PT织构陶瓷,对模板和织构陶瓷的制备工艺和性能进行了系统的研究。在用TMSS法制备片状PT模板的过程中,通过调控前驱体PbBi4Ti4O15以及模板合成过程中的烧结条件、酸洗浓度、PbO过量等工艺参数,获得了<001>取向的纯钙钛矿结构的片状PT模板,其径向尺寸为515μm,厚度为0.30.5μm,径厚比为1030,符合模板材料的选用要求。在此基础上,通过采用TMSS法,首次合成出具有不同锆钛比的<001>取向的片状PZT晶粒,并发现锆钛比为5:5时,PZT处于准同型相界附近,并获得最佳的片状形貌,径向尺寸达到了15μm,厚度约为0.2μm,这为PZT基织构陶瓷的发展奠定了坚实的基础。在TGG技术制备织构陶瓷的过程中,首先通过调整流延工艺参数,制备出高质量的陶瓷素坯膜片,厚度为4565μm,再经叠压后,成功制备出模板平铺良好且分散均匀的织构陶瓷生坯。随后,通过改变PT模板添加量和烧结温度制备出高取向度的PIN-PMN-PT织构陶瓷。结果表明:当模板含量为5 wt%时,在1250oC保温5 h后得到的织构陶瓷在<001>方向具有最高的取向度(f为63%),体积密度和相对密度分别为7.8641 g/cm3和96%,准静态压电常数d33为658 pC/N,50 kV/cm电场下的最大单极应变Smax为0.653%,对应高场下的等效压电常数d*33为1306 pm/V,相转变温度TR-T为196℃,居里温度TC为261℃,相比于随机取向陶瓷(d33为433 pC/N、Smax为0.206%、d*33为412 pm/V、TR-T为174℃、TC为243℃)有大幅度的提高。铁电性能方面,剩余极化强度Pr为26.1μC/cm2,矫顽场EC为12.3 kV/cm,有略微减弱,但相比传统的PMN-PT驰豫铁电材料,EC接近其矫顽场的两倍。因此,通过PT模板织构化的0.36PIN-0.30PMN-0.34PT压电陶瓷由于具有较高的温度稳定性和高场下较好的应变响应和压电性能,可以在更高的温度和电场下使用。
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