双晶片用PZT-PZN-PNN系压电陶瓷材料的电性能和温度稳定性研究

论文摘要

压电双晶片在微型机械、微型机器人和微控制器中有着广阔的应用前景。根据双晶片用压电陶瓷是在较大的振动位移的状态下工作的，因此，要求其压电材料应具有高的压电常数d33和机电耦合系数kp及低的机械品质因数Qm和低的介电损耗tanδ。由于Pb(Zr0．48Ti0．52)O3-Pb(Zn1/3Nb2/3)O3-Pb(Ni1／3Nb2／3)O3（缩写为PZT-PZN-PNN）体系具有较好的压电性能和良好的烧结特性，本文通过对这个体系进行PZT和PNN组分含量的变化、锆钛比的调整以及加入第五组元PMW等方面的研究，提高了材料体系的压电性能和温度稳定性，获得了能够满足实际应用要求的双晶片用压电陶瓷材料。首先，采用传统固相法制备了不同PZT含量的PZT-PZN-PNN四元系压电陶瓷，随着PZT含量从0．81到0．89的变化过程中，材料的相结构均为四方相且c／a比逐渐增加，表明材料的四方相逐渐加强。同时，随着PZT含量的增加，其谐振电阻Rf和带宽△f逐渐减小，并向高频方向移动。当PZT含量为0．83时，获得了较优的压电性能：d33=477 pC／N，kP=0．71，Qm=98，tanδ=0．0070和εr=2228。另外，在-20℃到+120℃温度变化过程中，随着组分PZT含量的增加，材料的介电常数温度系数△εr／εr25℃逐渐减小，表明其温度稳定性逐渐增强。其次，在PZT含量调整之后，对材料配方中PNN的含量进行了调整。随着PNN含量的增加，材料相结构均为四方相结构，材料的c／a先增大，后减小。随着PNN含量的增加，材料的机电耦合系数kp和压电常数d33先增大后减小，在y=0．36处得到最大值。材料的Qm随着PNN含量的增加而减小。材料在PNN含量为0．36时获得较优的压电性能：d33=527pC／N，kp=0．78，Qm=122，tanδ=0．0060和εr=2465。此时，材料的谐振频率温度系数△fr/fr25℃在120℃时仅为1．50％，综合考虑频率温度稳定性和压电性能，选择PNN摩尔含量为0．36，作为下一步研究的基础。随后，对材料体系的性能随Zr／Ti比变化的规律进行了研究。研究发现：在Zr/Ti比从0．720到1．041变化的过程中，材料相结构均为四方相。当Zr／Ti比接近于1．041时，材料的c／a接近于1，显示此时材料近位于相界附近偏三方相的区域。材料在Zr/Ti比为0．985时获得了性能较佳的材料组成：0．83Pb(Zr0.496Ti0.504)O3-0．17{0．64Pb(Zn1/3Nb2／3)O3-0．36Pb(Ni1／3Nb2／3)O3}+0．3wt％CeO2+0．1wt％MnO2。其压电性能分别为：d33=552 pC／N，kp=0．77，Qm=70，tanδ=0．0150和εr=2659。当Zr／Ti=0．985时，材料的△fr/fr25℃在120℃时仅为1．03％，表明此时材料配方具有较好的频率温度稳定性。最后，为进一步提高材料的压电性能和温度稳定性，在材料体系中添加了第五组元PMW，在PMW的添加量z=1．60mol％时，获得了一个电性能和温度稳定性较优的压电陶瓷材料配方体系：0．83Pb(Zr0．480Ti0．520)O3-0．17{0．64Pb(Zn1／3Nb2／3)O3-0．36Pb(Ni1／3Nb2／3)O3}+1．60mol％Pb(Mg1／2W1／2)O3+0．3wt％CeO2+0．1wt％MnO2。其压电性能分别为：d33=565pC／N，kp=0．78，Qm=89，tanδ=0．0066和εr=2523。同时，材料的频率温度稳定性达到极小值：当测试温度为120℃时，材料的△fr/fr25℃在120℃时仅为-0．32％，此材料性能可以满足双晶片对压电材料性能的要求。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 目录
• 第1章 绪论
• 1.1 研究背景与意义
• 1.2 双晶片用压电陶瓷材料研究的进展与存在的问题
• 1.2.1 双晶片对压电陶瓷材料的性能要求
• 1.2.2 PZN、PNN和PMW等几种典型的压电弛豫铁电体的特性
• 1.2.3 双晶片用压电陶瓷材料的研究进展
• 1.3 压电陶瓷材料的温度稳定性
• 1.3.1 压电陶瓷材料温度稳定性产生的原因
• 1.3.2 提高材料温度稳定性的方法
• 1.4 本文的研究内容
• 第2章 实验方法
• 2.1 陶瓷样品的制备工艺
• 2.2 分析与测试
• 2.2.1 陶瓷样品的体积密度
• 2.2.2 陶瓷样品的XRD分析
• 2.2.3 陶瓷样品的SEM分析
• 2.2.4 陶瓷样品的介电性能
• 2.2.5 陶瓷样品的居里温度
• 2.2.6 陶瓷样品的压电性能
• 2.3 陶瓷样品的温度稳定性
• 2.3.1 谐振频率温度系数
• 2.3.2 机械品质因数温度系数
• 2.3.3 机电耦合系数温度系数
• 2.3.4 介电常数温度系数
• 第3章 PZT和PNN含量对PZT-PZN-PNN陶瓷电性能和温度稳定性的影响
• 3.1 前言
• 3.2 PZT含量对PZT-PZN-PNN陶瓷电性能和温度稳定性的影响
• 3.2.1 PZT含量对陶瓷相结构的影响
• 3.2.2 PZT含量对陶瓷体积密度和显微结构的影响
• 3.2.3 PZT含量对陶瓷电性能的影响
• 3.2.4 PZT含量对陶瓷温度稳定性的影响
• 3.3 PNN含量对PZT-PZN-PNN陶瓷电性能和温度稳定性的影响
• 3.3.1 PNN含量对陶瓷相结构的影响
• 3.3.2 PNN含量的变化对陶瓷显微结构的影响
• 3.3.3 PNN含量的变化对陶瓷电性能的影响
• 3.3.4 PNN含量的变化对陶瓷温度稳定性的影响
• 3.4 本章小结
• 第4章 Zr/Ti比对PZT-PZN-PNN陶瓷电性能和温度稳定性的影响
• 4.1 前言
• 4.2 Zr/Ti比对陶瓷相结构的影响
• 4.3 Zr/Ti比对陶瓷体积密度和显微结构的影响
• 4.3.1 Zr/Ti比对陶瓷体积密度的影响
• 4.3.2 Zr/Ti比对陶瓷显微结构的影响
• 4.4 Zr/Ti比对陶瓷电性能的影响
• 4.4.1 压电性能
• 4.4.2 介电性能
• 4.5 Zr/Ti比对陶瓷温度稳定性的影响
• 4.6 本章小结
• 第5章 PMW对PZT-PZN-PNN陶瓷电性能和温度稳定性的影响
• 5.1 前言
• 5.2 PMW对陶瓷相结构的影响
• 5.3 PMW对陶瓷显微结构的影响
• 5.4 PMW对陶瓷电性能的影响
• 5.4.1 压电性能
• 5.4.2 介电性能
• 5.5 PMW对陶瓷温度稳定性的影响
• 5.6 本章小结
• 第6章 全文结论和新见解
• 6.1 全文主要结论
• 6.2 本文的新见解
• 6.3 进一步研究工作的建议
• 参考文献
• 附录
• 致谢
• 攻读硕士学位期间科研成果