大功率基PMSZT压电陶瓷的机电性能及稳定性研究

论文摘要

大功率压电陶瓷要求材料不但在强场下有小的介质损耗,大的机械品质因数,同时兼备一定的压电常数和机电耦合系数。另外在压电器件的使用过程中,要求陶瓷的温度和时间稳定性要好。为了实现上述性能要求,本文研究了锆钛比,硬性添加物MnO2,Ni2O3,软性添加物Nb2O5,Pr6O11和两性添加物Cr2O3对组成在准同型相界的Pba（Mn1/3Sb2/3）xZryTi1-x-yO3（PMSZT）压电陶瓷的机电性能及稳定性的影响。并探讨了其温度稳定性和时间稳定性的机理。另外通过加入NiW添加剂对PMSZT进行了低温烧结的研究。实验结果表明,对于Pba（Mn1/3Sb2/3）xZryTi1-x-yO3压电陶瓷,准同型相界位于x=0.05,y=0.47附近;铅含量a=1.02时,Pb1.02 （Mn1/3Sb2/3）0.05Zr0.47Ti0.48O3机电性能最佳:ε3T3 /ε0=1350,d33=320pC/N,Kp=62%,Qm=2400,tanδ=0.0029。对于锆含量y=0.47的准同型相界处,谐振频率的相对变化率较小。-2580℃温度范围内,fr,K31和d31的平均温度系数分别为,TCfr=142×10-6/℃,TCK31=-0.086%/℃,TCd31=0.118%/℃。适量的软性,硬性及两性离子掺杂,优化了PMSZT三元系陶瓷的介电和压电性能。综合考虑离子掺杂对机电性能及稳定性的共同影响发现,锰掺杂较其它镍,铌,镨和铬掺杂更为优良。机电性能较好的锰过量0.1wt%的组成,-2580℃温度范围内的fr,K31和d31平均温度系数分别为72×10-6/℃,-0.027%/℃,0.100%/℃,未掺杂相比要小。镍掺杂较其它的锰,铌,镨和铬离子掺杂更为明显的提高该体系的机电性能。该组成对机电耦合系数和压电常数的温度稳定性有所改善,但对于谐振频率温度稳定性改善不大。铬掺杂量小于0.6wt%的样品,fr,K31和d31的温度稳定性变好,可以改善体系的温度稳定性。但机电性能稍差。掺杂量达到0.6wt%时,机电性能较其它的掺杂要好,但TCfr较大。PMS–0.01PNW–0.94PZT体系不仅可以使材料的烧结温度降低到1090℃,而且压电性能优良,温度稳定性良好,ε3T3 /ε0= 1560,tanδ= 0.005,Kp = 0.665, Qm =1900,d33 =360 pC/N,TCfr=20×10-6/℃,TCKp=-0.010%/℃,TCd31=-0.078%/℃。通过研究锆含量对PMSZT老化性能的影响发现,三方相区的组成其谐振频率fr随着时间延长是降低的,介电常数是增加的,这和一般的压电陶瓷表现恰恰相反。本文证实了对三方相组成确实存在这样的变化规律,并从理论上给出了解释。PMS–0.01PNW–0.94PZT体系及硬性掺杂使PMSZT陶瓷的抗老化性能改善。热处理能显著改善PMS–0.01PNW–0.94PZT压电陶瓷的压电老化特性。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 前言
• 1.2 文献综述
• 1.2.1 压电性和压电方程组
• 1.2.2 压电方程组及压电材料的主要机电性能参数
• 1.2.3 压电陶瓷的应用
• 1.2.4 大功率压电陶瓷体系
• 1.2.5 复合钙钛矿氧化物与多元系压电陶瓷
• 1.3 课题的提出
• 第二章 实验过程及测试
• 2.1 原料及设备
• 2.2 实验准备
• 2.3 工艺选取
• 2.4 性能测试及仪器装置
• 第三章 PMSZT压电陶瓷准同型相界附近的性能研究
• 3.1 组成研究
• 3.1.1 物相分析
• 3.1.2 微观结构
• 3.1.3 机电性能
• 3.1.4 温度稳定性
• 3.2 烧结工艺
• 3.2.1 物相分析
• 3.2.2 显微结构
• 3.2.3 机电性能
• 3.2.4 温度稳定性
• 3.3 烧银工艺
• 3.4 本章小结
• 第四章 PMSZT压电陶瓷掺杂改性研究
• 4.1 物相分析
• 4.2 显微结构
• 4.3 机电性能
• 4.4 稳定性
• 4.4.1 介电温度稳定性
• 4.4.2 频率温度稳定性
• 4.5 本章小结
• 第五章 PMSZT压电陶瓷的低温烧结研究
• 5.1 物相分析
• 5.2 显微结构
• 5.3 机电性能
• 5.4 温度稳定性
• 5.5 本章小结
• 第六章 PMSZT基压电陶瓷的时间稳定性的研究
• 6.1 不同锆含量PMSZT样品的老化行为
• 6.2 不同NiW掺杂PMSxPNW–（0.95-x）PZT样品的老化行为
• 6.3 不同温度下NiW掺杂样品的压电、介电老化行为
• 6.4 热处理对老化性能的影响
• 6.5 本章小结
• 第七章 结论
• 创新性
• 参考文献
• 发表论文及科研情况
• 致谢