大功率PMS-PZT压电陶瓷的强场性能研究

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随着许多器件和设备向着微型化、集成化的方向发展,对功率的要求越来越高,因此对大功率压电陶瓷进行深入研究有重要的科学意义和实用价值。大功率压电陶瓷主要指应用于强驱动或者强电场条件下的陶瓷材料,包括应用于压电振子、变压器、发射型超声换能器等的陶瓷材料,这些材料在信息技术领域有极其重要的地位。应用于大功率条件下的压电陶瓷材料不仅需要有高的机械品质因数Qm、低的介电损耗tanδ,较高的机电耦合系数Kp和较高的压电常数d33,而且还要求有较好的强场稳定性。本文利用传统固相法制备了锑锰-锆钛酸铅系(Pb(Mn1/3Sb2/3)O3-PZT)的陶瓷样品,并对其低电平性能、温度稳定性以及强电场下的机电非线性进行了探究;介电常数的非线性响应通过瑞利模型来衡量,该模型能定量区分出可逆以及不可逆畴壁运动对于介电常数的贡献。在本文中,CeO2能起到硬性掺杂的效果,提高Qm值,降低强场介电损耗;掺杂0.25wt%CeO2后,陶瓷低电平下的性能为d33=321pC/N,Kp=0.606,Qm=1367,εr=1632,tanδ=0.484%;介质的瑞利系数由104(k V/cm)-1降低至83(k V/cm)-1,5k V/cm下介电损耗由4.182%降低至3.551%,并对极化样品的非线性有所改善。掺杂0.30wt%Yb2O3后,PMS-PZT+0.25wt%CeO2陶瓷的Kp由0.606提高到0.643,d33由321pC/N提高到391pC/N,瑞利系数由83(k V/cm)-1降低至79(kV/cm)-1;在保证陶瓷强场稳定性的基础上,极大的提高了陶瓷的压电性能。BiFeO3具有明显的促进烧结的作用,掺杂0.20mol%Bi FeO3后,将PMS-PZT+0.25wt%CeO2陶瓷的最佳烧结温度由1300℃降低到1180℃。且Kp由0.606提高到0.622,d33由321pC/N提高到359pC/N,Qm由1367提高到1519,5k V/cm下介电损耗由3.551%降低至3.262%。
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