PZN-PZT四元系高介电常数压电陶瓷材料研究

PZN-PZT四元系高介电常数压电陶瓷材料研究 PZN-PZT四元系高介电常数压电陶瓷材料 研究 第27卷第3期 2010年6月 贵州大学(自然科学版) Joun~ofGuizhouUniversity(NaturalSciences) VoL27No.3 JurL2010 文章编号1000—5269(2010)03—0054—04 PSbN-PZN—PZT四元系高介电常数压电陶瓷材料研究 吴康和,王学杰 (中国振华集团红云器材厂,贵州贵阳550018) 摘要:本文从生产实用化的角度出发,对PSN.PZN—PZT四元系压电陶瓷材料组成与性能的关 系进行了研究.通过Nb:0,Sb:0,等氧化物适当地掺杂改性以及用Sr,Ba等元素对部分Pb的 置换,常温极化即可获得占,3/e.=5200,d33=820pC/N,=0.78的高性能和高致密度的压电陶 瓷材料,是目前用于制作小体积大容量的各类高档压电电声器件的良好材料. 关键词:压电陶瓷;四元系;置换;高介电常数 中图分类号:TB302文献标识码:A 传统的压电陶瓷材料由于介电常数不高(< 3000),在应用领域受到限制J.近年来,随着压 电电声器件向着小型化,薄型化方向发展,需要压 电陶瓷材料具有更高的介电常数,更高的机电耦合 系数以及更好的机械强度等优良性能【1j. 为了满足上述电学性能的要求,Pb(zr,Ti)0, (PZT)基多元系统压电陶瓷材料得到广泛的研究. 例如,Pb(Mn,Sb2/,)03一PzT,Pb(Mn,Nb2/3)0,- PZT,以及Pb(Mg1/3Nb2/3)03一Pb(zn1/3Nb2/3)03- PZT等.在这些系统中,Pb(Mn/3Sb3)O,一PZT系 统的特点是机械品质因数Q可达5300,但机电耦 合系数只有0.18;Pb(Mn1,3Nb2/3)03-PZT系统 的特点是机械品质因数Q可高达6300,但电容率 较低;Pb(Mgl/3Nb2/3)03-Pb(znl/3Nb2/3)03-PZT系 统的特点是机电耦合系数较高,电容率较高,但 工艺稳定性较差,规模化生产难以控制.鉴于此, 本文选择Pb(Sb,Nb./2)A(zn1/3Nb2/3)BZrcTiDO3 (PSN.PZN.PZT)四元系压电陶瓷材料进行研究. 在这个系统中,通过在Pb位置添加sr,Ba等元素 以及用Nb0Sb0,等材料适当地掺杂改性,使得 该压电陶瓷材料的压电性能可以在较大范围内调 ZT基系统中难以实现的高介 节,获得在传统的P 电常数占,,/6.,高机电耦合系数和稳定性好的 压电陶瓷材料.本文从规模化生产需要的实际出 发,就此系统的组成与性能方面作基本探讨. 1实验 1.1原材料名称及纯度 实验中使用的原材料及其纯度列于表1. 表1原料名称及纯度 原材料名称纯度(%) Pb3O4 Zr0 Ti0 SrCO BaCO3 Nb2O5 Sb2O3 ZnO 97.0 99.5 99.7 99.O 98.O 99.8 99.8 99.5 1.2配方组成 PsbN—PZN—PZT四元系统中Pb被部分取代后 的化学组成可以表达为:Pb..Me(Sb./2Nb1) (znl/3Nb2/3)BzrcTiDO3,Me是sr,Ba中的一种或两 种,各参数的调节范围是A=0.02—0.55,B=0.01 — 0.10,C=0.20—0.30,D=0.12—0.18,其中A+ B+C+D=1.0,的调节范围是=0.00—0.28, 改性添加剂的调节范围是Nb:O=0.01—0.66 wt%,Sb2O3=0.01—0.55wt%,SrCO3=1.50— 5.82wt%,BaCO3=1.00—2.60wt%. 1.3制备工艺 传统固相烧结方法制备压电陶瓷的工艺过程 为:配料混料一预烧一粉碎一成型_+烧成被电 收稿日期:2010一o4—25 基金项目:贵州省工业攻关项目资助(黔科合GY字2010—3004) 作者简介:吴康和(1963一),男,贵州天柱人,工程师,从事材料工程及电子元器件制 造专业工作,Email:wxj一678@163.com. 通讯作者:吴康和,Email:wxj一678@163.CO11% 第3期吴康和等:PsN—PZN?PZT四元系高介电常数压电陶瓷材料研究?55? 极_+极化_+测试检验.所有压电陶瓷试样均采 用传统固相烧结方法制备.粉体的预烧合成温度 为1050?,保温90min.合成粉体在振动球磨机里 振磨6h,放料过筛后添加5%的石蜡作粘合剂,干 压成型为11×0.8mm的圆片,在隧道电炉里于 1350?保温60min烧成.试样被好电极后在30 c【=硅油中极化20min,极化场强为3kV/mm,极化 好的样品于25?室温下静置24h后测试其电性 能. 1.4性能测试 机电耦合系数采用标准传输法进行测量计 算,介电常数,,/.采用TH2618B型电容测试仪 测定电容量,然后通过公式计算而得,d,,采用zJ一 3AN型准静态d测试仪测定,居里温度由测一 曲线确定,晶相分析用日本理学D/MAX—B型x 射线衍射仪进行. 2结果与讨论 2.1PSbN,PZN二组份对材料介电常数占33/60和 居里温度的影响 对PSN—PZN—PZT四元系压电陶瓷材料的研 究表明,PSN,PZN二组份含量对材料的介电常数 /e居里温度以及其它压电性能均有很大的 影响.图1显示了Pb.一Me(Sb./2Nb1/2)A(zn./3 Nb)zrcTi.O,四元系压电陶瓷材料的,3/,0, 与A+B二组份的关系,其中A组分是Pb(sb. Nb./2)o3,B组分是Pb(znl/3Nb2/3)O3.由图1可 见,随着材料中A和B所占比例的增加,材料的居 里温度下降,介电常数,,/6.上升.这是因为 PSN,PZN化合物均是铁电体,其居里温度分别 为190?和140~(2,均低于PbTiO的居里温度 495?和PbZrO的居里温度230?.它们与PZT 形成钙钛矿型结构的固溶体,(sb.儿Nb.)和(zn Nb)对zr,Ti实现复 合同 劳动合同范本免费下载装修合同范本免费下载租赁合同免费下载房屋买卖合同下载劳务合同范本下载 价取代,从而使该系统 固溶体的居里温度随其含量增加而明显降低,室温 下的介电常数则由于居里温度的下降而上升. 此外,由于PZN的居里温度低于PsN,因而它对 系统的影响更大.实验证实,配方中增加少量 的PZN组分,即可达到显着提高材料介电常数 s33/0的目的. 2.2Sr,Ba部分置换Pb对材料性能的影响 图2是当四元系统中组份A+B=0.10时,用 不同量的sr元素置换Pb元素后,材料介电常数 ,,/.随温度变化的关系,最高介电常数时对应的 图133/0,Te(?)与PSbN+PZN二组分的关系 温度即为材料的居里温度.由图2可知,随着sr 对Pb置换量的增加,其居里温度和居里温度时的 介电常数呈单调下降的趋势,这与其它钙钛矿型结 构的陶瓷材料居里温度的移动机理基本一致. 图2不同sr含量(too1%)材料的介电常数随温度的变化关系 图3是当四元系统中组份A+B=0.10时,用 不同量的sr元素置换Pb元素后,材料压电性能与 sr含量的关系.当sr为8mo1%时,该陶瓷体系具 有较高的压电应变常数d鹑和较高的机电藕合系数 ,如图3所示.由图2和图3可知,材料室温下 的介电常数则随sr含量的增加而升高;当sr的掺 入量达到一定数量时,室温介电常数不再明显增 加,材料压电性能亦开始变差.Ba元素置换部分 Pb对材料性能的影响与sr元素相似,对居里温度 的影响程度较sr略小. 图3A+B=O.10时材料性能Kp,d33与sr含量的关系 2.3PSbN—PZN—PZT系压电陶瓷性能 实验证实,PSbN—PZN-PZT四元系材料的烧成 温度较低(132O?),烧成范围宽(40?),特别是能 ? 56?贵州大学(自然科学版)第27卷 很好地抑制烧成时Pb元素的挥发,且烧成工艺性统中不同配方组成的材料性能 (样品1,2,3,4). 能稳定,适宜规模化生产控制.表2列出此四元系 表2PShN-PZN?PZT系统材料实验配方样品及性能 5200 4800 420o 3500 O.7O O.72 0.75 O.8 820 740 630 550 60 45 38 35 170 20o 230 250 7.82 7.85 7.76 7.83 2.4材料的晶相组成 图4是表2中配方样品1的XRD图谱,与 PSN,PZN,PZT三种化合物各自的标准XRD图谱 对照可知,配方样品1的晶相组成单一,无明显杂 相存在.引入的各种元素均以ABO的钙钛矿型 晶体结构形式占据各自的晶格位置,是一种较为完 整的Pb(Sbl/2Nbl/2)^(znl/3Nb2,3)BZrcTiDO3四元 系压电陶瓷固溶体.此外,与单纯PZT陶瓷的 XRD相比,样品1的衍射峰形较宽,可以认为这是 由于PShN,PZN的固溶以及sr,Ba离子与被置换 的Pb离子半径不同而导致晶体中产生晶格畸变所 造成的.适度的晶格畸变,有利于极化时电畴的定 向排列,促进压电性能的提高. 图4PSbN-PZN-PZT系压电陶瓷的XRD图谱 2.5微观结构(如图5所示) 图5是当sr含量等于8too1%时,材料在不同 放大倍数的SEM图谱.该陶瓷样品的小晶粒紧密 地根植在大晶粒之间,减少了陶瓷的空隙,从而有 效地提高了陶瓷的瓷体致密度.稠密的微结构也 导致了该陶瓷样品压电性能的提高. (a)×4000(b)×8000 图5当Sr含量等于8too1%时,材料在不同放大倍数的SEM图谱 3结论 (1)在PSN—PZN—PZT四元系统材料中,通过 增减PSN,PZN的含量以及用sr,Ba元素对部分 Pb的置换,可以大幅度地调整压电陶瓷的介电常 数(1400—5200),并获得较好的压电性能(Kp= 0.65—0.82,d33=300—800×10e/N),而且该材 料的电学性能稳定,生产工艺性好,易于烧结,瓷片 机械强度高,便于大规模生产控制. (2)通过对PSbN.PZN—PZT四元系统材料进行 适当地掺杂改性,可获得s33/80=5200,Kp=0.78, d=820pC/N的高性能压电陶瓷,其微观结构致 密,晶相组成单一,性能稳定,适于制作高档压电蜂 鸣器,扬声器,送受话器等产品. 口明日明日叩日明样样样样 1234方方方方 配配配配 第3期吴康和等:PSN-PZN-PZT四元系高介电常数压电陶瓷材料研究?57? 参考文献: [1]焦桐顺编.实用电子陶瓷(下)[M].北京:电子工业出版社, 1986. [2]肖定全,赁敦敏,朱建国等.电子元件与材料[J],2004,23 (11):22—23. [3]郭仁澄着:压电陶瓷产品与应用发展研讨 论文 政研论文下载论文大学下载论文大学下载关于长拳的论文浙大论文封面下载 集[M].深圳:深 圳出版社,1995. [4]张福学孙慷着.压电学(下册)[M].北京:国防工业出版 杜,1984. [5]钦征骑主编.新型陶瓷材料手册[M].南京:江苏科学技术出 版社,1996. StudyonPiezoelectricCeramicsofQuarternarySystem:HighDielectric ConstantPsbn-Pzn?PztquaternarySystemPiezoelectricCeramics WUKang—he,WANGXue-jie (ChinaZhenhuaGroupHongyunDevicesFactory,Guiyang550018,China) Abstract:Inlightofthepracticabilityofproduction,IX3hN-PZN— PZTquaternarysystempiezoelectricceramics waschosenasthesubjectandaseriesresearchesweremadeontherelationshipbetweencompositionsandprop— erties.Withthemethodof"BaandSrreplacingthepositionofpartofPb"and"Dopingmodificationwithmate— rialssuchasNb2O5andSb203"andintheconditionofpolarizationatroomtemperature,highperformance(633// 0=5200,3=820pC/N,=0.78)piezoelectricceramicswithcompactdensityWasobtained,whichwasa goodpiezoelectricmaterialusedtomakesmallvolume, currently. Keywords:piezoelectricceramics;quaternarysystem; bigcapacityandtop—gradepiezoelectricacousticdevice replace;highdielectricconstant