【摘 要】
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压电陶瓷具有电能与机械能相互转化的能力,在传感器和变压器等压电器件领域已经广泛应用。由于科技的发展,对于航空航天以及汽车工业等高温领域所用到的器件提出了更高的要求,具有高居里温度,并且能在宽工作温度范围下保持着优异电学性能的压电陶瓷成为了研究的热点。本文通过固相法合成出具有高居里温度和高压电性能的Pb（Yb,Ni）O3-Pb（Hf,Ti）O3（PYN-PHT）三元系压电陶瓷,并对其添加助烧结剂和掺
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压电陶瓷具有电能与机械能相互转化的能力,在传感器和变压器等压电器件领域已经广泛应用。由于科技的发展,对于航空航天以及汽车工业等高温领域所用到的器件提出了更高的要求,具有高居里温度,并且能在宽工作温度范围下保持着优异电学性能的压电陶瓷成为了研究的热点。本文通过固相法合成出具有高居里温度和高压电性能的Pb（Yb,Ni）O3-Pb（Hf,Ti）O3（PYN-PHT）三元系压电陶瓷,并对其添加助烧结剂和掺杂离子改性,分析各自对体系的微观结构以及电学性能的作用机制,主要的内容如下:固相法是常用的合成钙钛矿结构陶瓷的方法,该方法的关键点在于烧结制备中预烧温度和烧结温度的把控。通过粉料热失重-差热分析可以推断出陶瓷体系的预烧温度范围为800℃～850℃,在PYN-PHT陶瓷的准同型相界附近选取不同的组元配比,即对x Pb(Yb0.5Nb0.5)O3-（1-x）Pb(Hf0.4Ti0.6)O3（x=0.16～0.22）和x Pb(Yb0.5Nb0.5)O3-（1-x）Pb(Hf0.45Ti0.55)O3（x=0.08～0.12）分别进行了制备,探索了不同预烧温度和烧结温度对两种Hf,Ti比体系陶瓷的作用,得到了该陶瓷的最佳预烧温度和烧结温度分别为825℃和1200℃。当Hf:Ti=45:55,x=0.09时,即0.09PYN-0.91Pb(Hf0.45Ti0.55)O3为陶瓷的最佳组元,压电常数d33,介电常数εr,居里温度Tc,机电耦合系数kp,机械品质因数Qm和介电损耗tanδ分别为486p C/N,1380,337℃,0.46,30和1.14%。制备多层压电变压器件需要陶瓷具有低烧结温度的特性,同时降低烧结温度可以减少Pb元素的流失,使体系原子比稳定。为了降低陶瓷的烧结温度,采用了在0.09PYN-0.91Pb(Hf0.45Ti0.55)O3陶瓷中添加V2O5助烧结剂,系统地研究了V2O5掺杂对陶瓷地微观结构和电学性能的影响。研究发现,添加V2O5后的陶瓷体积密度和晶粒均匀度明显提高,继续添加V2O5后发现微观形貌变差,致密度下降。当助烧结剂的掺杂量为0.075wt.%时,成功将陶瓷的烧结温度降低150℃,并提高了压电常数d33为490p C/N,机电耦合系数kp为0.59。具有高机械品质因数的压电器件能很好的克服谐振下机械运动产生的能量损耗,通过WO3对PYN-PHT陶瓷的掺杂改性,提高了该陶瓷体系的机械品质特性。研究发现WO3能有效减少晶界中的气孔提高陶瓷的致密度,促进良好的微观结构形成,致密的晶界利于自发极化方向偏转,提高机械品质因数Qm。WO3的掺杂量为0.1wt.%时能有效提高陶瓷的机械品质因数Qm为38.6,但压电陶瓷的介电性能显著减小,压电性能未见提升,这与W6+离子容易与粉料中其它物质形成杂相有关。
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