PNW-PMN-PZT四元系压电陶瓷电性能及其温度稳定性的研究

张锐  

【摘要】： 随着PZT基压电陶瓷器件的广泛应用，大功率化成为了一个重要的发展方向，如：压电马达，压电陶瓷变压器等。0.03PNW-0.07PMN-0.90PZT体系具有较好的压电性能和良好的烧结特性。为了提高其压电性能和温度稳定性，我们对这个体系进行了掺杂改性、锆钛比变化和掺入稳定剂的研究，以期获得满足实际应用要求的大功率压电陶瓷。 首先，采用传统固相法成功制备了过量WO_3和过量Pb_3O_4掺杂的PNW-PMN-PZT+0.1wt．％CeO_2四元系压电陶瓷，结果表明陶瓷均为纯钙钛矿相。随着WO_3掺杂量的增加，K_P，Q_m和d_(33)表现相同的趋势：先增加后减小。当加入0.6 wt．％的WO_3时，获得了较佳的电性能，在掺杂0.6 wt．％WO_3的基础上，随着过量Pb_3O_4的加入，可使陶瓷在烧结过程中形成液相，从而促使陶瓷致密化。当陶瓷体系中加入过量的0.5wt．％的Pb_3O_4时，在1150℃烧结下，所得到的陶瓷体积密度最大(7.70g／cm~3)，且具有最优的电学性能，分别为：K_P=0.66，Q_m=1318，d_(33)=430pC／N，ε_r=2229，tanδ=0.0066，此时温度稳定性为：△f_r／f_(r25℃)=-0.671％，△K_p／K_(p25℃)=2.065％，需要进一步改善。因此我们确定组份0.9Pb(Zr_(0.52)Ti_(0.48))O_3-0.07Pb(Mn_(1／3)Nb_(2／3))O_3-0.03Pb(Ni_(1／2)W_(1／2))O_3+0.1wt．％CeO_2+0.6wt．％WO_3+0.5wt．％Pb_3O_4(缩写为PNW-PMN-PZT)为本研究的基础配方。 其次，通过对四元系材料谐振频率温度稳定性的研究表明，在远离相界的四方相区谐振频率温度系数为负，而在靠近相界的四方相区谐振频率温度系数为正，在它们中间存在一个电学性能较优、温度稳定性较好的M点。因此通过改变锆钛比，以寻求电学性能和温度稳定性都较好的M点。在本实验中，当Zr／Ti=50／50时，它的电学性能最好，分别为：K_P=0.55，Q_m=1707，d_(33)=342pC／N，ε_r=1923，tanδ=0.0055，此时的温度稳定性也较好，分别为：△f_r／f_(r25℃)=-0.304％，△K_p／K_(p25℃)=-1.801％。 最后，为了进一步提高材料的温度稳定性并兼顾优良的电学性能，以满足大功率压电陶瓷的实际应用要求，我们在以上研究的基础上掺入了稳定剂CeO_2和Cr_2O_3，实验结果表明：当CeO_2的掺杂量仍为0.1wt．％时，体系的温度稳定性和电学性能较好(这与开始配方中的掺入量是一致的)。为了进一步改进体系的温度稳定性和电学性能，向体系中加入稳定剂Cr_2O_3，当Cr_2O_3的掺杂量为0.2wt．％时，获得了最佳的电学性能和较好的温度稳定性，其性能分别为：K_p=0.54，Q_m=1730，d_(33)=330pC／N，ε_r=2078，tanδ=0.0052，△f_r／f_(r25℃)=-0.167％，△K_p／K_(p25℃)=-1.391％。 通过上述研究我们获得了一个较优的体系：0.9Pb(Zr_(0.50)Ti_(0.50))O_3-0.07Pb(Mn_(1/3)Nb_(2/3))O_3-0.03Pb(Ni_(1/2)W_(1/2))O_3+0.1wt.％CeO_2+0.5wt.％Pb_3O_4+0.6wt.％WO_3+0.2wt.％Cr_2O_3，其温度稳定性和电学性能都较佳，可以满足大功率压电陶瓷材料实际应用的要求。

【关键词】：PZT基压电陶瓷 掺杂剂 电学性能 温度稳定性
【学位授予单位】：陕西师范大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2007
【分类号】：TM282
【DOI】：CNKI:CDMD:2.2007.199440
【目录】：

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