前驱体法制备PZT/ZrO2纳米复相陶瓷性能研究

论文摘要

PZT基压电陶瓷在许多领域有着广泛的应用。为了适应现代应用对压电陶瓷力学性能和压电性能提出的更高要求,本文采用前驱体法制备了PZT/ZrO2纳米复相压电陶瓷。通过引入少量纳米第二相ZrO2粒子,PZT/ZrO2陶瓷的力学性能大幅度提高,同时压电性能也能得到改善。改进的聚合物法制备的B位前驱体(Zra+xTi1-a)0.98Nb0.02O2.01+1.96x、Zra+xTi1-aO2+2x、(Zra+xTi1-a)0.985Fe0.015O1.9925+1.97x与PbCO3通过固相发应740℃/4h合成为亚稳态的A位缺Pb的单相钙钛矿PZT粉末。TEM显示,合成粉末粒径小于100 nm。烧结过程中PZT晶粒将析出的ZrO2晶粒包裹起来,形成晶内型PZT/ZrO2纳米复相压电陶瓷。通过XRD、SEM、EDS、TEM分析,发现并确认了PZT基体中四方和单斜ZrO2粒子。TEM观察到由于马氏体相变和热失配产生的应力条纹和应力斑,发现ZrO2粒子截断电畴和使电畴弯曲的现象。应力场有效吸收裂纹扩展能量,加之ZrO2粒子强化基体晶界,PZT/ZrO2纳米复相陶瓷得到了强韧化。SEM显示陶瓷断裂模式随ZrO2加入向穿晶断裂模式转变。抗弯强度和断裂韧性随ZrO2加入量增加提高明显,1260℃/2 h烧成PZTN2（x=0.05）可达141.6 Mpa和2.3 Mpa m1/2。1260℃/2 h烧成的PZTN1和PZTN2体系及1250℃/2 h烧成的PZTP1体系在加入ZrO2后主要压电性能有升高,这三个体系在加入ZrO2为2 mol%压电性能最优。对于PZTN2,x=0.00时主要性能指标为:ε3T3/ε0=1464,tanδ=0.013,d33=246 pC N-1,Kp=0.50,Qm=88.2,σf =97.11 Mpa,KIC=1.07 Mpa m1/2,x=0.02时:ε3T3/ε0=1531,tanδ=0.013,d33=250 pC N-1,Kp=0.52,Qm=95.9,σf=116.27 Mpa,KIC=1.44 Mpa m1/2。PZT/ZrO2纳米复相压电陶瓷的压电性能不降反升与ZrO2粒子对基体的应力有关。对比研究了铌掺杂和铁掺杂PZT/ZrO2陶瓷,发现铌掺杂能够提高介电性能的温度稳定性,同时使介电弥散性增强。铁掺杂抑制晶粒生长,大幅度提高Qm值。1250℃/2 h烧成,PZTN3晶粒大于5μm,PZTF小于1μm。PZTF试样可以在1180℃以上实现致密烧结。1230℃/2 h烧成的PZTN3（x=0.02）重要性能指标:ε3T3/ε0=1864,tanδ=0.013,d33=377 pC N-1,Kp=0.59,Qm=97,d31= -156.4 pC N-1,K31=0.32, S1E1 =15.2×10-12 m2 N-1;1230℃/2 h烧成的PZTF（x=0.02）重要性能指标:ε3T3/ε0=1174,tanδ=0.006,d33=290 pC N-1,Kp=0.48,Qm=360,d31= -98.25 pC N-1,K31=0.28, S1E1 =12.2×10-12 m2 N-1。

论文目录

• 中文摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 压电效应及其产生的机理
• 1.1.1 晶体的压电性
• 1.1.2 陶瓷的压电性
• 1.2 压电方程组压电材料的主要机电性能参数
• 1.2.1 压电方程组
• 1.2.2 压电材料的主要机电性能参数
• 1.3 压电陶瓷材料的研究进展
• 1.3.1 压电陶瓷材料研究现状
• 1.3.2 压电陶瓷的发展趋势
• 1.4 纳米复相陶瓷概述
• 1.4.1 纳米复相陶瓷概念、分类与力学特性
• 1.4.2 陶瓷基纳米复相粉体的制备方法
• 1.4.3 纳米复相陶瓷的设计原则
• 1.4.4 纳米复相陶的强韧化机理
• 1.5 二氧化锆的性质
• 1.5.1 二氧化锆相变特征
• 1.5.2 二氧化锆的强韧化作用
• 1.6 前躯体法制备PZT陶瓷进展
• 1.6.1 B位前躯体法的发展
• 1.6.2 B位前驱体法生成PZT固溶体的反应机理分析
• 1.7 本课题的背景、意义及主要内容
• 1.7.1 本课题的研究背景意义
• 1.7.2 本论文的主要内容
• 第二章 实验过程及测试
• 2.1 原料及设备
• 2.2 试验准备
• 2.2.1 PVA粘合剂的制备
• 2.2.2 相关相图
• 2.2.3 Nb-citrate溶液的制备
• 2.3 工艺选取
• 2.3.1 聚合物法合成B位前驱体
• 2.3.2 压电陶瓷的制备测试工艺流程
• 2.4 性能测试及仪器装置
• 2.4.1 体积密度
• 2.4.2 相对介电常数ε3T3 及介电损耗tan δ
• 2.4.3 压电应变常数d33
• E、K_p、S₁₁^E、k₃₁、d₃₁、和Qm的测量与计算'>2.4.4 σ^E、K_p、S₁₁^E、k₃₁、d₃₁、和Qm的测量与计算
• 2.4.5 居里温度T C
• 2.4.6 显微结构及相组成
• 2.4.7 力学性能的测试
• 2纳米复相陶瓷研究'>第三章 前驱体法制备PZT/ZrO₂纳米复相陶瓷研究
• 2 纳米复相陶瓷的制备'>3.1 PZT/ZrO₂纳米复相陶瓷的制备
• 3.1.1 合成B位前驱体
• 3.1.2 亚稳钙钛矿PZT粉体
• 2 纳米复相陶瓷'>3.1.3 PZT/ZrO₂纳米复相陶瓷
• 2 纳米复相陶瓷微观结构分析'>3.2 PZT/ZrO₂纳米复相陶瓷微观结构分析
• 3.2.1 自然表面SEM分析
• 3.2.2 断裂表面SEM及能谱分析
• 3.2.3 TEM及能谱分析
• 2 纳米复相陶瓷中的铁电畴'>3.3 PZT/ZrO₂纳米复相陶瓷中的铁电畴
• 3.4 本章小结
• 2纳米复相陶瓷力学性能研究'>第四章 PZT/ZrO₂纳米复相陶瓷力学性能研究
• 4.1 力学性能指标分析
• 4.1.1 抗弯强度（σf）和断裂韧性（KIC）
• 11^E)'>4.1.2 弹性柔顺系数( S₁₁^E)
• 4.2 断裂模式分析
• 4.3 陶瓷中的微裂纹增韧机制
• 4.3.1 微裂纹强韧化机制
• 4.3.2 裂纹偏转强韧化机制
• 4.3.3 裂纹弯曲强韧化机制
• 4.3.4 裂纹的桥连强韧化机制
• 2 纳米复相陶应力场分析'>4.4 PZT/ZrO₂纳米复相陶应力场分析
• 4.4.1 残余应力场分析
• 2 相变应力分析'>4.4.2 t-ZrO₂相变应力分析
• 4.4.3 内应力强韧作用分析
• 2 粒子对电畴的作用'>4.5 纳米第二相ZrO₂粒子对电畴的作用
• 4.6 本章小结
• 2纳米复相陶瓷的压电性能研究'>第五章 PZT/ZrO₂纳米复相陶瓷的压电性能研究
• 5.1 PZTN1 系列
• 5.1.1 测量密度和相对密度
• 5.1.2 介电常数和介电损耗
• 5.1.3 介电性能温度稳定性
• 5.1.4 压电性能
• 5.2 PZTN2 体系
• 5.2.1 测量密度和相对密度
• 5.2.2 介电常数和介电损耗
• 5.2.3 介电性能温度稳定性
• 5.2.4 压电性能
• 5.3 PZTP1 体系
• 5.3.1 物相分析
• 5.3.2 测量密度和相对密度
• 5.3.3 介电常数和介电损耗
• 5.3.4 介电性能温度稳定性
• 5.3.5 压电性能
• 5.4 内应力分析
• 5.4.1 居里温度变化之内应力分析
• 5.4.2 压电性能提高之内应力分析
• 5.5 本章小结
• 2纳米复相陶瓷性能研究'>第六章 铌、铁掺杂PZT/ZrO₂纳米复相陶瓷性能研究
• 6.1 物相结构
• 6.1.1 合成亚稳钙钛矿PZT粉末XRD分析
• 2 纳米复相陶瓷XRD分析'>6.1.2 PZT/ZrO₂纳米复相陶瓷XRD分析
• 6.2 亚稳钙钛矿PZT粉末TEM分析
• 6.3 密度分析
• 6.3.1 PZTN3 体系密度分析
• 6.3.2 PZTF体系密度分析
• 6.4 SEM分析
• 6.4.1 PZTN3 试样SEM分析
• 6.4.2 PZTF试样SEM分析
• 6.5 泊松比和弹性柔顺系数
• 6.5.1 泊松比
• 6.5.2 弹性柔顺系数
• 6.6 介电性能
• 6.6.1 室温介电常数和介电损耗
• 6.6.2 介电常数和介电损耗的温度稳定性
• 6.7 压电性能
• 6.8 铁掺杂低温烧结探讨
• 6.9 本章小结
• 第七章 结论
• 创新性
• 参考文献
• 发表论文和参加科研情况说明
• 致谢