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B位先驱体法制备PZT/ZrO_2复合压电陶瓷及其性能研究

冯铁程  
【摘要】: 本文借助B位先驱体法在750℃合成了亚稳态钙钛矿型PZT粉料,在烧结过程中,过量ZrO_2随着温度的升高逐渐析出使整个体系趋向热力学稳定状态,从而形成PZT/ZrO_2复合压电陶瓷材料。研究了四方和三方不同铁电相区域,Nb~(5+)离子软性掺杂和无掺杂情况下,第二相ZrO_2粒子引入对PZT基体各种性能的影响。 研究中应用了XRD、SEM、TEM、EDS等研究手段,详细分析了第二相ZrO_2粒子的析出温度、析出范围和析出形貌等。结果显示,在Nb~(5+)软性掺杂的情况下在ZrO_2名义含量值a0.03时XRD检测到单斜相或四方相ZrO_2存在,在无掺杂的三方铁电相区1260℃烧结温度下,在名义ZrO_2含量最大值a=0.05时仍然没有检测到ZrO_2存在,这都说明了PZT本身对铅缺少容忍不同会造成一定的Zr/Ti比例偏移富锆方向。 在Zr/Ti比例偏移的情况下,电学性能的变化趋势由PZT本身性质决定;在ZrO_2明显析出时,电学性能如d_(33),K_p等有不同程度的下降,但在a=0.05时d_(33)值仍然能保持a=0.00时的90%。 随着名义ZrO_2含量值a的增大,断裂韧性K_(IC)均有一定的提高,但是四方铁电相区域(51/49)K_(IC)增加幅度(14%)远小于三方铁电相区域(58/42)K_(IC)增加幅度(62%)。三方铁电相区域四方相ZrO_2的存在是其K_(IC)增加幅度很大的主要原因之一。断裂强度σf除了在四方铁电相区ZrO_2析出时有一定程度下降外均升高,这和烧结密度、晶粒尺寸等有一定的关系。 由于PZT基体和ZrO_2颗粒的物理性质,如弹性模量或者泊松比等差异,在降温过程中引起热失配,残余应力保留在烧结体中。PZT基体受压应力,第二相ZrO_2颗粒受拉应力,但实际烧结体中应力类型和大小与ZrO_2颗粒析出状态有关。如Zr/Ti比例为58/42时,由于四方相ZrO_2的存在,PZT基体中保留的压应力使居里温度降低;而Zr/Ti比例为51/49时,只有单斜相ZrO_2存在,由于马氏体相变和应力释放等原因,居里温度反而上升。 通过介电-温谱分析,第二相ZrO_2的存在使四方铁电相区域PZT弥散程度加强,使三方铁电相区域PZT弥散程度减弱。


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