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PZT为代表的铅基钙钛矿系列陶瓷材料以其优良的压电和铁电性能在通信、超声和传感等领域得到广泛应用。与二元系PZT压电陶瓷相比,由于PMN-PZT三元系构成的压电陶瓷材料具有高Curie温度、压电活性高、易于烧结、性能稳定且容易通过改变组分或掺杂进行调控等诸多优点,在机电换能领域获得广泛应用。
本文以位于准同型相界(MPB,morphotropic phase boundary)附近组成0.2PMN-0.8Pb(Zr0.48Ti0.52)03为主要研究对象,采用铌铁矿预产物合成法制备了纯钙钛矿相的PMN-PZT压电陶瓷,研究了制备工艺、PMN-PZT相组成、烧结温度、不同含量的LiF烧结助剂,MgF2,PbF2,CaF2,LiN03,Li2C03,CuO和PbO做添加剂对陶瓷相组成、显微结构和电性能的影响。
通过对制备过程的对比研究,确定了在5MPa成型压力下,1℃/min 升温到700℃,然后5℃/min升温到1200℃,保温2h为最佳制备工艺。对于xPb(Mgl/3Nb2/3)03-(1-x)Pb(Zr0.48Ti0.52)03(PMN-PZT,x=0.125,0.15,0.175,0.2,0.225,0.25,摩尔分数)陶瓷,通过XRD及Raman 光谱证实,随着PMN含量的增加,PMN-PZT压电陶瓷从四方相逐渐向菱方相转变,其MPB组成在x=0.2附近。随PMN含量的增加,陶瓷的介电损耗逐渐减小,陶瓷的压电常数先增大后减小,陶瓷的矫顽场逐渐增加。而且陶瓷的Curie温度随PMN含量增加呈线性下降趋势。在MPB(x=0.2)附近的PMN-PZT陶瓷的峰值相对介电常数和室温压电常数分别达到16380和351pC/N,Curie温度为308.8℃,电滞回线矩形度高,剩余极化强度大,为30.67C/cm2。
烧结温度的升高导致陶瓷的相结构均由四方相.菱方相共存变为单一菱方相,其原因可能是较高的烧结温度导致PbO的挥发,使得组成偏析积聚,以致相结构发生转变。0.2PMN-0.8PZT陶瓷的最佳烧结温度为1200℃,此时介电峰值为19520。
LiF助烧作用最强,PbF2次之,CaF2再次之,MgF2助烧作用最弱。在LiF、MgF2、PbF2,CaF2中0.2PMN-0.8PZT的最佳助烧剂为LiF,烧结温度为950℃时峰值介电常数为14200,室温压电常数为265 pC/N,剩余极化强度P,为30.9C/cm2,矫顽电场E。为7.8kV/cm。
LiF的最佳掺杂量为3m01%,LiF的加入使陶瓷的烧结温度降低了150℃左右,对相结构有一定的稳定作用;对陶瓷的致密化有很大促进作用:使0.2PMN-0.8PZT陶瓷的介电性能有很大提高,其介电常数增大而损耗降低;对压电性能改变不大;铁电性增强,剩余极化强度增加。
对于Li2C03、LiN03、CuO及PbO助烧0.2PMN-0.8PZT陶瓷,随着烧结温度的升高,PCU和PLC的相结构由四方相向菱方相转变,PLN的相结构由菱方相向四方相转变,PP的相结构变化不大。在Li2C03、LiN03, CuO及PbO中,0.2PMN-0.8PZT的最佳助烧剂为Li2C03,PLC-1200峰值介电常数为38512,室温压电常数为300pC/N,剩余极化强度Pr为31.3C/cm2,矫顽电场E。为34.17kV/cm。