PZN-PZT三元系压电陶瓷的性能和掺杂改性研究

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本文选取0.3PZN-0.7PZT三元系压电陶瓷作为研究对象,研究了Zr/Ti对系统准同型相界及压电、介电性能的影响。通过研究得出:当Zr/Ti介于51/49和48/52之间时,系统处于准同型相界处。材料性能尤以Zr/Ti=49/51时最好。主要参数值为:ε33Tε0=2590,d33=440pC/N,Kp=0.65, tanδ=1.7%,Tc=286℃。本文还研究了烧结温度对压电陶瓷系统微观结构和性能的影响,结果表明:最佳烧结温度是1230℃。此时晶粒生长的均匀致密,粒径大小在(3~5)μm。此外,本文还对不同氧化物掺杂剂对0.3PZN-0.7PZT体系压电陶瓷的掺杂改性进行了研究。通过分析掺杂物Ta2O5和Sb2O5对材料性能的影响,并结合扫描电子显微镜图得出:Ta2O5最佳的掺杂量为0.2wt%, Sb2O5最佳的掺杂量为1wt %,比较各掺杂物的影响结果,以0.20wt% Ta2O5的掺杂对材料性能的提升比较明显: d33=450 pC/N,Kp=0.66,ε33Tε0=2570,Qm=80, tanδ=1.82%。Sb2O5掺杂能促进晶粒的生长,在一定程度上降低烧结温度。另外,本文对Sb2O3的掺杂方式(外加和取代)及Sb离子的价态(Sb3+和Sb5+)对Pb0.95Ba0.05(Zn1/3Nb2/3)0.3(Zr1/2Ti1/2)0.7O3电学性能及温度稳定性的影响进行了研究。结果表明:一定掺杂量能提高陶瓷的电学性能,以外加的方式掺杂时电学性能较好。Sb2O3掺杂后能够改善其谐振频率温度稳定性,以取代的方式掺杂更有利于压电陶瓷温度稳定性的提高;两种价态(Sb3+和Sb5+)掺杂所得到的ε33Tε0、d33和Kp均在烧结温度为1270℃时取得最大值,低于或高于1270℃各个参数都开始下降。两种价态的掺杂所得到的ε33Tε0最大值分别为3217和3357,t anδ随温度变化呈相反的趋势,在1270℃取得最小值2.36%和2.3%。Sb3+掺杂时的谐振频率较高,室温以下,Sb5+掺杂的温度稳定性要比Sb3+好,而在室温以上,两者的谐振频率变化并无明显的区别。随着温度的变化,两者的Kp变化不大,Kp变化率(△Kp/Kp20℃%)随温度的变化趋势相同,从负的温度系数向正的温度系数转变,Sb5+掺杂时稳定性较好。最后本文研究了热处理、烧结制度和埋烧气氛对材料电学性能的影响,得出热处理能够有效的提高陶瓷的介电和压电性能,合理烧结制度的选择有利于本实验样品的电学性能的提高,正确埋烧料的选择对高性能材料的获得影响很大。
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