三元系PSN-PMN-PT陶瓷织构化及电学性能研究

来源 :西安工业大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:changjian200910
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压电材料是一种功能材料,因可实现机械能和电能间的相互转换而被广泛应用于各种领域,压电性能不断改进和增强,一直是该研究领域的热点。Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-PbTiO3(PMN-PT)因具有优异压电性能而受到研究人员青睐,但低居里温度和矫顽场却限制了其应用。本论文通过向PMN-PT体系中引入具有高居里温度的Pb(Sc1/2Nb1/2)O3(PSN),构建同时具有高压电常数和居里温度的Pb(Sc1/2Nb1/2)O3-Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-PbTiO3(PSN-PMN-PT)三元体系,研究成分对陶瓷相结构、电学性能以及相变行为的影响;在此基础上,通过Sm3+掺杂和织构化对三元陶瓷改性,研究掺杂和织构化对陶瓷相结构、微观形貌、电学性能和相变行为的影响。采用传统固相反应法制备了0.15PSN-(0.85-x)PMN-xPT(x=0.31-0.40)三元陶瓷,通过XRD对陶瓷相结构进行了研究,发现随PT含量增加,陶瓷相变序列由MC+R相转变成MC+MA+R相,接着又转变成MC+T相。通过电学性能研究,发现Tff随PT含量增加而降低,在x=0.38时消失;Tc和Ec随PT含量增加而增加,而d33随PT含量的增加先增后减。x=0.37的陶瓷具有高居里温度Tc和大矫顽场Ec的同时,还有高的压电常数d33(Tc=205℃,Ec=7.3 k V/cm,d33=610 p C/N),此时陶瓷处于MC和T相共存且T相为主,明显优于PMN-PT。研究结果表明,将PSN引入PMN-PT来提高居里温度和矫顽场是可行的。对x=0.37陶瓷温度稳定性研究,140℃退火时,剩余d33仍能保持室温值的92%。结果表明x=0.37陶瓷具有良好的综合性能及温度稳定性,在实际器件应用中有一定的潜力。选取0.15PSN-0.52PMN-0.33PT三元陶瓷为基体,采用传统固相反应法制备了不同Sm3+含量的Pb1-1.5ySmy[(Sc1/2Nb1/2)0.15(Mg1/3Nb2/3)0.52Ti0.33]O3(y Sm-PSN-PMN-0.33PT,y=0.005,0.01,0.015,0.02 mol)陶瓷。通过XRD对陶瓷相结构进行研究,发现在A位进行Sm3+取代,有利于四方相形成。通过电学性能研究,发现Tff和Tc随Sm3+含量的增加而降低,而d33随Sm3+含量的增加先增后减。在所有陶瓷体系中,0.015Sm-0.15PSN-0.52PMN-0.33PT陶瓷获得了最优综合性能:Tc=141℃,d33=860 p C/N,kp=0.65,Ec=5.83 k V/cm,d33*=1033 pm/V,S=0.146%,H=6.5%,相比0.15PSN-0.52PMN-0.33PT陶瓷,d33提高了约77.7%。在140℃退火处理后,剩余d33可保持室温值的73%,与Sm-PMN-PT比,可使用的温度范围得到了改善。采用拓扑化学转化法制备出径厚比大于10且在[001]方向上具有高取向度的片状BaTiO3微晶,以BaTiO3微晶为模板,采用模板晶粒生长法对0.15PSN-0.52PMN-0.33PT和0.15PSN-0.54PMN-0.31PT陶瓷进行了织构化。通过XRD对陶瓷相结构进行研究,发现随着模板含量的增加,陶瓷逐渐向四方相转变。通过电学性能研究,发现Tc随模板含量的增加而降低,而d33随模板含量的增加先增后减。在0.15PSN-0.52PMN-0.33PT织构陶瓷中,3 vol%模板含量时,F001=0.93,得到最大d33,为680 p C/N,是无取向陶瓷的1.4倍。在0.15PSN-0.54PMN-0.31PT织构陶瓷中,3 vol%模板含量时,F001=0.94,Tc=152℃,Pr=23.55μC/cm~2,Ec=4.6 k V/cm,得到最大d33,d33=720 p C/N,相比无取向陶瓷,d33提高了80%。在140℃退火处理后,剩余d33仍保持室温值的81%。
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