PZT-PMN系压电陶瓷的改性研究

论文摘要

本文利用先驱体工艺,在780℃下合成了单相的PZTMN粉料。并对PZTMN基三元系压电陶瓷的改性进行了详细的研究。采用XRD、SEM以及宏观物理性能测试等方法,对陶瓷材料的微观结构及力学性能、电学性能进行了分析讨论。为提高PZTMN系压电陶瓷的力学性能,我们通过双先驱体法制备了（Pb0.95Sr0.05）[（Zr0.5Ti0.5）0.8（Mg1/3Nb2/3）0.2]0.98Nb0.02O3.01+ aZrO2复合材料,即在基体中添加第二相氧化物。SEM分析表明,掺入改性氧化物后,瓷体的穿晶断裂情况明显增多。混入的氧化物含量在0～2mol%的范围内时,材料的力学性能随氧化物含量的增加而增加,第二相氧化物含量a=0.02时PSZTMN复合材料的力学性能达到最佳值,断裂韧性KIC由a=0时的0.83MPam1/2增至a=0.02时的0.98MPam1/2。抗弯强度σ由a=0时的78MPa增至a=0.02时的99MPa。当继续增加第二相氧化物掺入量时,材料的力学性能开始下降。通过对材料的电学测试表明,在第二相氧化物含量a=0.02时其电学性能也比基体有所提高。为进一步提高PZTMN基压电陶瓷的电学性能,对基体进行了掺杂改性,Fe3+离子按如下表达式进行掺杂:Pb（（Zr0.5Ti0.5）0.8（Mg1/3Nb2/3）0.2）（1-c）FecO（3-0.5c）+ 0.02ZrO2。研究了Fe203含量对PZT-PMN复合陶瓷的结构、烧结特性及电性能的影响,探讨了Fe3+离子在PZT-PMN系统中的掺杂机理。研究表明,少量的少量Fe掺杂有助于陶瓷的致密化;该体系材料的最佳极化条件为:极化电压3KV/mm;极化温度120℃;极化时间30分钟。在1260℃的烧结温度下, Fe2O3掺入量c=0.02时,该复合材料介电性能最为优越,压电性能也有所提高,继续增加Fe2O3掺入量,材料的电学性能迅速下降。通过Fe203掺杂改性,得到了最优性能为:εr=2215,tanδ=0.016,Tc=310℃, d33=520 pC/N,Kp=0.61的压电陶瓷。

论文目录

• 中文摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 压电陶瓷概述
• 1.2 压电陶瓷材料的发展
• 1.3 压电陶瓷的应用
• 1.4 PZT 压电陶瓷中的基本概念
• 1.4.1 钙钛矿结构
• 1.4.2 压电陶瓷的主要性能参数
• 1.4.3 准同型相界（MPB）
• 1.5 压电陶瓷材料的研究方向
• 1.6 本课题研究的背景、目的和意义
• 第二章 压电陶瓷的改性及粉体制备技术
• 2.1 压电陶瓷的改性
• 2.1.1 压电陶瓷的掺杂改性
• 2.1.2 压电陶瓷的增韧机理
• 2.2 压电陶瓷粉料制备技术
• 2.2.1 固相法
• 2.2.2 液相法
• 第三章 PSZT-PMN 系压电陶瓷的改性研究
• 3.1 引言
• 3.2 研究体系的成分设计
• 3.3 PSZTMN 压电陶瓷的合成工艺
• 3.3.1 B 位先驱体的合成工艺
• 0.95Sr_0.05) CO₃ 制备过程'>3.3.2 A 位先驱体(Pb_0.95Sr_0.05) CO₃制备过程
• 3.3.3 A 位与B 位合成PSZTMN 粉料
• 3.4 样品制备
• 3.4.1 造粒
• 3.4.2 成型
• 3.4.3 烧结成瓷
• 3.5 力学性能测试
• 3.5.1 弯曲强度的测定
• 3.5.2 断裂韧性测试
• 3.5.3 结果与讨论
• 3.5.4 试样断口的微观结构
• 3.6 电学性能测试
• 3.6.1 被银
• 3.6.2 极化
• 3.6.3 测试方案
• 3.6.4 结果与讨论
• 3.7 本章小结
• 第四章 PZT-PMN 系压电陶瓷的掺杂改性研究
• 4.1 引言
• 4.2 研究体系的成分设计
• 4.3 本实验的工艺流程
• 4.4 PZTMN1 压电陶瓷的合成工艺
• 4.4.1 B 位先驱体的合成
• 4.4.2 PZTMN1 复合材料粉料的合成
• 4.5 烧结成瓷
• 4.6 电学性能测试
• 4.6.1 极化电压的确定
• 4.6.2 居里温度Tc 的测量
• 4.6.3 其它电学参数测量
• 4.7 测试结果与讨论
• 4.7.1 烧结温度对性能的影响
• 4.7.2 掺杂对介电性能的影响
• 4.7.3 掺杂对压电性能的影响
• 4.8 本章小结
• 第五章 结论
• 参考文献
• 发表论文和科研情况说明
• 致谢