Sr取代硬性PMS-PZT压电陶瓷研究_罗雅霞.pdf

第4 5卷第1期压 电 与 声 光V o l.4 5N o.12 0 2 3年2月P I E Z O E L E C T R I C S&A C OU S T O O P T I C SF e b.2 0 2 3 收稿日期:2 0 2 2-0 5-2 9 基金项目:四川省科技计划重点研发项目(2 0 2 1 Y F G 0 2 3 4)作者简介:罗雅霞(1 9 9 7-),女,云南省文山市人,硕士生,主要从事压电介电功能材料的研究。E-m a i l:3 1 6 9 8 7 4 2 3 7q q.c o m。通信作者:刘洪(1 9 7 5-),男,四川省彭州市人,副教授,主要从事压电介电功能材料的研究。E-m a i l:l i u h s c u.e d u.c n。文章编号:1 0 0 4-2 4 7 4(2 0 2 3)0 1-0 0 2 9-0 4D O I:1 0.1 1 9 7 7/j.i s s n.1 0 0 4-2 4 7 4.2 0 2 3.0 1.0 0 7S r取代硬性PM S-P Z T压电陶瓷研究罗雅霞,刘 洪,朱建国(四川大学 材料科学与工程学院,四川 成都6 1 0 0 6 5)摘 要:采用常规固相反应法合成了P b1-xS rx(M n1/3S b2/3)0.0 5Z r0.4 8T i0.4 7O3+0.2 5%C e O2+0.5 0%Y b2O3+0.1 5%F e2O3(PM S-P Z T,x=0,0.0 2,0.0 4,0.0 6)的三元系硬性压电陶瓷。采用X线衍射仪、准静态压电常数测试仪和铁电测试仪系统地研究了S r取代对PM S-P Z T陶瓷的相结构及电学性能的影响。实验结果表明,无S r取代和有S r取代的PM S-P Z T压电陶瓷均具有单一的四方相晶体结构。当x=0.0 2时,PM S-P Z T的性能最佳:d3 3=4 1 5p C/N,Qm=5 2 2,TC=2 9 1,kp=0.6 4,r=13 0 4,Pr=1 1.3 2C/c m2,Ec=9.0 5k V/c m。关键词:PM S-P Z T;晶体结构;压电性能;介电性能;S r取代中图分类号:T N 3 8 4;TM 2 8 2 文献标志码:A S t u d yo nS r-S u b s t i t u t e dH a r dPM S-P Z TP i e z o e l e c t r i cC e r a m i c sL U OY a x i a,L I UH o n g,Z H UJ i a n g u o(C o l l e g eo fM a t e r i a l sS c i e n c ea n dE n g i n e e r i n g,S i c h u a nU n i v e r s i t y,C h e n g d u6 1 0 0 6 5,C h i n a)A b s t r a c t:T h eP b1-xS rx(M n1/3S b2/3)0.0 5Z r0.4 8T i0.4 7O3+0.2 5%C e O2+0.5 0%Y b2O3+0.1 5%F e2O3(PM S-P Z T,x=0,0.0 2,0.0 4,0.0 6)t e r n a r y s y s t e mh a r dp i e z o e l e c t r i c c e r a m i c sw e r e s y n t h e s i z e db y t h e c o n v e n t i o n a l s o l i d-s t a t er e a c t i o nm e t h o d.T h ee f f e c t so fS r-s u b s t i t u t i o no nt h ep h a s es t r u c t u r ea n de l e c t r i c a l p r o p e r t i e so f t h ePM S-P Z Tc e-r a m i c sw e r e s y s t e m a t i c a l l ys t u d i e db yX-r a yd i f f r a c t o m e t e r,q u a s i-s t a t i cp i e z o e l e c t r i c c o n s t a n t t e s t e r a n d f e r r o e l e c t r i ct e s t e r.T h ee x p e r i m e n t a l r e s u l t ss h o wt h a tb o t ht h ePM S-P Z Tp i e z o e l e c t r i cc e r a m i c sw i t ha n dw i t h o u tS r-s u b s t i t u-t i o nh a v eas i n g l e t e t r a g o n a l c r y s t a l s t r u c t u r e.Wh e nx=0.0 2,PM S-P Z Th a s t h eb e s tp e r f o r m a n c e:d3 3=4 1 5p C/N,Qm=5 2 2,TC=2 9 1,kp=0.6 4,r=13 0 4,Pr=1 1.3 2C/c m2,Ec=9.0 5k V/c m.K e yw o r d s:PM S-P Z T;c r y s t a l s t r u c t u r e;p i e z o e l e c t r i cp r o p e r t y;d i e l e c t r i cp r o p e r t y;S r-s u b s t i t u t i o n 0 引言锆钛酸铅(P Z T)陶瓷是由钛酸铅(P b T i O3)和锆酸铅(P b Z r O3)两相以任意比例形成的固溶体,因其具有优异的压电、介电和铁电等电学性能而被广泛用于航空航天、精密制造、信息电子等高技术领域,用于制备传感器、换能器、存储器等各类电子元器件1。由于多元系的压电陶瓷可在更广的范围内实现性能的调整和优化,因此,通过将P Z T陶瓷与其他陶瓷体系按一定比例混合,可以制备出综合性能更优的P Z T基压电陶瓷材料。P Z T压电陶瓷 按使 用 要 求 可 分 为“软”性 和“硬”性两种。目前,高机械品质因数(Qm)的压电陶瓷材料主要是以P Z T陶瓷为基础进行“硬”性掺杂改性或进行多相取代的二元系、三元系和四元系等。所谓“硬”性掺杂是指添加L i+、N a+等替代P b2+,M n4+、C O3+等替代B位离子。为了维持电中性,晶格内将会产生氧空位,畴壁运动阻力增大,自发极化降低,表现为介电损耗减小,Qm提高。PM S-P Z T陶瓷的特点是其机电耦合系数kp、Qm都高,是典型的“硬性材料”。当P Z T基陶瓷在准同型相界(MP B)区域附近时,其压电常数d3 3和机电耦合系数kp能达到最大值,但通常机械品质因数Qm为最小值。相对而言,四方相的Qm通常高于三方相的Qm。因此,若要获得高Qm的P Z T基陶瓷,其相结构一般为单一的四方相晶体结构2。研究表明,适当的P b(M n1/3S b2/3)O3含量能改善体系的kp、d3 3和Qm,所以锑 锰酸铅-锆钛酸 铅(PM S-P Z T)体系引起了学者的关注和研究。GAOY等3在PM S-P Z T体系中进行稀土元素C e、E u、Y b的掺杂,体系的综合性能得到不同程度的提升。YO ON MS等4研究了Z n O对PM S-P Z T体系的影响,认为加入适当含量的Z n O提高了压电应变常数d3 1和压电电压常数g3 1,但Qm值降低。S r2+取代P b2+会引起晶格畸变,畴壁运动更容易,提高了压电陶瓷的电学性能。付豪等5在P Z N-P Z T体系中进行S r C O3掺杂,发现适量的S r C O3能有效地提高P Z N-P Z T陶瓷的压电及介电性能。陈浩等6通过研究S r2+取代P b2+对P NN-P Z T基压电陶瓷性能的影响,认为加入适量的S r C O3可以促进晶粒生长,提高陶瓷的Qm值。本文旨在探讨不同含量的S r-C O3对于PM S-P Z T三元系压电陶瓷的晶体结构与电学性能的影响。1 实验实验采用传统固相法合成PM S-P Z T压电陶瓷,原料分别是P b O(9 9%),M n O2(9 8%),S b2O3(9 9%),S r C O3(9 9.5%),Z r O2(9 9.8 7%),T i O2(9 9%),N b2O5(9 9.5%),C e O2(9 9.9 5%),F e2O3(9 9%),N b2O5(9 9.9 5%),Y b2O3(9 9.9%),N b2O5(9 9.9%)(质量分数),根据化学式P b1-xS rx(M n1/3S b2/3)0.0 5Z r0.4 8T i0.4 7O3(x=0,0.0 2,0.0 4,0.0 6)的化学计量比进行称量。同时加入质量分数分别为0.2 5%C e O2、0.1 5%F e2O3和0.5 0%Y b2O3,原料被称量后倒入球磨罐中球磨2 4h,烤干后的粉体在8 5 0预烧2h;然后进行二次球磨2 4h,取出磨好的 料 烤 干 后 干 压 成 型,再 烧 结,烧 结 温 度 为11 5 0,2h;将烧结后的陶瓷片表面进行打磨,并在两面涂覆银浆,在7 5 0 下保温1 0m i n;最后在1 2 0的硅油中加直流电压4k V/mm下极化2 0m i n,极化后放置2 4h测试其性能。采用X线衍射仪(X R D,D X 2 7 0 0)分析PM S-P Z T陶 瓷 的 晶 体 结 构。用 精 密L C R表(H P,4 9 8 0 A)测量陶瓷样品的介电常数及介电损耗。用准静态压电常数测试仪(Z J-3 A)测量陶瓷样品的压电常数。用铁电测试仪(T FA n a l y z e r2 0 0 0 E)测试陶瓷的电滞回线。2 实验结果与讨论2.1 S r取代对PM S-P Z T陶瓷相结构的影响图1(a)为PM S-P Z T样品陶瓷的X R D谱图。由图中指标化的特征峰可以看出,所有的组分都是纯的钙钛矿结构,这表明所有S r2+都进入到晶格中形成了固溶体。图1(b)中的(0 0 2)和(2 0 0)衍射峰分裂是典型的四方相特征,这表明在选定的S r取代量范围内,PM S-P Z T压电陶瓷呈现单一的四方相晶体结构,此结果与文献7 一致。图1 不同S r取代量的PM S-P Z T陶瓷图2为不同S r取代量(x)的PM S-P Z T陶瓷的密度。每个组分选取4个样品测量密度,图中数据为4个样品密度值的平均值。由图可知,PM S-P Z T陶瓷的密度随着S r取代量的增多而降低。图2 不同S r取代量的PM S-P Z T陶瓷的密度2.2 S r取代对PM S-P Z T陶瓷性能的影响图3是陶瓷烧结样品的压电性能随S r取代量的变化曲线。由图可知,随着x的增加,d3 3先增大后减小,而Qm和kp先减小后增大,当x=0.0 2时,d3 3达到最大值(为4 1 5p C/N)。随着x的增加,由于S r2+与P b2+半径大小不同,S r2+取代P b2+会产生晶格畸变,从而促使电畴转向,提高了压电常数,且导致Qm降低,当x=0.0 4时,Qm出现极小值8。在PM S-P Z T压电陶瓷中过量引入S r2+会形成某些缺陷,比如晶界变多,产生晶界杂质,这些缺陷阻碍了电畴转向,提高了Qm。03压 电 与 声 光2 0 2 3年 图3 PM S-P Z T压电陶瓷压电性能随S r取代量的变化图4为 测 试 频 率1k H z、测 试 温 度2 7 时PM S-P Z T压电陶瓷介电性能随S r取代量的变化规律示意图。由图