低温烧结软性PZT压电陶瓷的制备及性能研究

论文摘要

压电马达是一种重要的压电叠层器件，在微电子领域有着广泛的应用。为了提高压电马达的响应速度和位移量，要求压电陶瓷是具有较低机械品质因数的软性压电陶瓷。而软性压电陶瓷的低温烧结一直是PZT陶瓷材料的难点。所以本文针对这一问题，选取Pb(Zn1/3Nb2/3)O3-Pb（Zr,Ti）O3（PZN-PZT）体系压电陶瓷作为研究对象，从陶瓷制备工艺，材料基本配方和氧化物掺杂改性这几方面进行研究，从而达到提高陶瓷性能、降低陶瓷烧结温度的目的。本文首先对材料的制备工艺进行研究，通过调节材料的预烧温度，陶瓷的致密性和压电性能提高明显。通过改善材料的球磨工艺，球磨粉料的粒径从0.91μm下降到了0.72μm，粉料粒径低的样品在烧结时具有更高的活性，因而球磨工艺的改善提高了陶瓷的铁电性与压电性。通过对不同生产厂家原料的使用，发现陶瓷的原材料对陶瓷性能也有较大的影响。最终，陶瓷制备工艺的改进提高了陶瓷的压电性能，材料的压电系数d33从340pC/N提升到527pC/N，平面机电耦合系数k31从0.31提升到了0.37。在确定陶瓷制备工艺的基础上，本文讨论了PZN-PZT的基本配方对材料性能的影响。通过PZN-PZT陶瓷体系中铌锌酸铅的含量的研究，明确了在0.3Pb(Zn1/3Nb2/3)O3-0.7Pb（Zr,Ti）O3处陶瓷的性能达到最优。之后改变PZN-PZT陶瓷的锆钛比，使材料位于准同型相界处。最后对陶瓷中Pb元素的含量进行研究，发现Pb元素含量在刚好满足材料的化学计量比时性能最佳。明确了PZN-PZT陶瓷的基本配方后，本文研究了Li2CO3掺杂和Sm2O3掺杂对材料性能的影响。Li2CO3掺杂可以使材料的烧结温度从1125℃下降到950℃，并且陶瓷的压电性能没有明显的下降。但是，当陶瓷的烧结温度低于950℃时，材料的压电性能会大幅下降。Sm2O3掺杂可以提高900℃烧结的陶瓷样品的压电性能。最终，烧结温度为900℃时陶瓷的最佳性能参数为：d33=483pC/N，k31=0.376，Qm=73.09，εr=2524，tanδ=0.0178。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 1 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 压电陶瓷简介
• 1.3 压电陶瓷的发展历史
• 1.4 PZT 体系压电陶瓷的低温烧结
• 1.5 本文的研究目的和内容
• 2 实验方法及测试手段
• 2.1 样品的制备工艺过程
• 2.2 样品的性能测试以及表征
• 3 PZN-PZT 压电陶瓷的制备工艺研究
• 3.1 引言
• 3.2 实验方法
• 3.3 预烧温度对陶瓷结构与性能的影响
• 3.4 球磨工艺对陶瓷性能与结构的影响
• 3.5 原材料的陶瓷材料性能的影响
• 3.6 小结
• 4 PZN-PZT 陶瓷的结构和性能研究
• 4.1 引言
• 4.2 实验方法
• 4.3 铌锌酸铅含量对 PZN-PZT 陶瓷结构及性能的影响
• 4.4 PZN-PZT 体系压电陶瓷的锆钛比对材料性能的影响
• 4.5 Pb 含量对 PZN-PZT 陶瓷结构以及性能的影响
• 4.6 小结
• 5 助烧剂掺杂 PZN-PZT 陶瓷的结构和性能研究
• 5.1 引言
• 5.2 实验方法
• 5.3 Li2CO3掺杂对 PZN-PZT 陶瓷的性能影响
• 5.4 Sm2O3掺杂对 PZN-PZT 陶瓷的性能影响
• 5.5 小结
• 6 结论
• 致谢
• 参考文献
• 附录 1 攻读硕士学位期间发表论文