铌锑—锆钛酸铅系压电陶瓷的研究

论文摘要

本文选取0.98Pb（Zr1-xTix）O3-0.02Pb（Sb1/2Nb1/2）O3 （x=0.440.49）铌锑-锆钛酸铅系（简称PSN-PZT）压电陶瓷作为研究对象。采用传统的固相烧结法制备PSN-PZT压电陶瓷,通过X射线衍射（XRD）对合成后材料的晶相进行分析,用扫描电子显微镜（SEM）观察样品表面的显微结构,并讨论锆钛比和烧结温度对材料介电、压电性能以及对居里温度的影响。结果表明:三方相和四方相共存的准同型相界位于Zr/Ti为50/48附近,最佳性能出现在相界偏三方相一侧;此陶瓷材料具有烧结温度范围宽（11901270℃）和居里温度高（>330℃）的特点。当Zr/Ti=51/47,合成温度900℃,烧结温度1230℃时综合性能较好,此时介电常数T33 0=1955,介电损耗tanδ=0.019,压电常数d33=425pC/N,机电耦合系数Kp=0.65,居里温度Tc=352℃。此外,通过碱土金属Sr2+、Ba2+离子的置换,研究不同工艺条件和锆钛比对PSN-PZT压电陶瓷介电和压电性能的影响。研究结果表明:Sr2+离子（4%mol,5%mol）的加入能明显提高此体系的介电和压电性能;Ba2+离子（4%mol,5%mol）的加入对此陶瓷系统介电和压电性能影响不明显;Sr2+、Ba2+离子联合加入的效果要优于其中任意一种元素单独加入的效果。Sr2+的助熔作用使体系晶粒有所增加,同时体系的烧结温度和居里温度均有降低。Ba2+的加入降低了系统的合成温度,介电常数有所增加,但对其他性能影响不明显。Sr2+、Ba2+的联合加入使准同型相界向富锆方移动,最佳极化场强为3000V/mm,此时出现最佳性能:介电常数T33 0=2290,介电损耗tanδ=0.017,压电常数d33=495pC/N,机电耦合系数Kp=0.7,居里温度Tc=298℃。鉴于铌锑-锆钛酸铅体系居里温度高的特点,实验还测量了不同配方在不同高温条件下的性能参数。得出相应的高温老化曲线,确定了不同配方陶瓷的使用温度上限。

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 压电效应及压电机理
• 1.2.2 压电陶瓷的主要参数
• 1.2.3 压电陶瓷材料
• 1.2.4 掺杂改性
• 1.2.5 压电陶瓷的工艺条件
• 1.3 课题提出的意义及研究的内容
• 第二章 实验过程及测试
• 2.1 原料及设备
• 2.2 实验准备
• 2.2.1 PVA 粘合剂的配置
• 2.2.2 相关相图
• 2.3 工艺选取
• 2.4 性能测试及仪器装置
• 33^T/ε₀ 及介电损耗tanδ'>2.4.1 相对介电常数ε₃₃^T/ε₀及介电损耗tanδ
• 33'>2.4.2 压电应变常数d₃₃
• p'>2.4.3 机电耦合系数K_p
• c'>2.4.4 居里温度T_c
• 2.4.5 显微及其相组成
• 第三章 铌锑-锆钛酸铅系压电陶瓷的研究
• 3.1 相结构和相界的确定
• 3.2 微观形貌和晶粒度
• 3.3 介电和压电性质
• 3.4 居里温度
• 3.5 本章小结
• 第四章 铌锑-锆钛酸铅系压电陶瓷的掺杂改性研究
• 2+取代对铌锑-锆钛酸铅系压电陶瓷的研究'>4.1 Sr²⁺取代对铌锑-锆钛酸铅系压电陶瓷的研究
• 4.1.1 显微结构分析
• 4.1.2 最佳组成点的确定
• 4.1.3 居里温度
• 2+掺杂对铌锑-锆钛酸铅系压电陶瓷性能的影响'>4.2 Ba²⁺掺杂对铌锑-锆钛酸铅系压电陶瓷性能的影响
• 4.2.1 最佳合成温度的确定
• 4.2.2 最佳组成点的确定
• 4.2.3 最佳烧结温度的确定
• 4.2.4 微观形貌和晶粒度
• 4.2.5 居里温度
• 4.3 Sr，Ba 掺杂对铌锑-锆钛酸铅系压电陶瓷性能的影响
• 4.3.1 相结构
• 4.3.2 介电和压电性质
• 4.3.3 微观形貌和晶粒度
• 4.3.4 综合性能比较
• 4.3.5 居里温度
• 4.4 本章小结
• 第五章 结论
• 参考文献
• 发表论文和参加科研情况说明
• 致谢