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PLZT陶瓷的制备及其掺杂改性研究

郭有文  
【摘要】:镧改性锆钛酸铅(简称PLZT)陶瓷具有优异的铁电、压电、介电性能,在微存储器、热释电红外探测器、铁电场效应管、微机械、平板显示器等方面都有着重要的应用。PLZT陶瓷一个重要的性能是光致应变效应,这种效应是吸收紫外光波段的光产生的,而在光学和电光器件中使用的铁电材料也需在可见光区域有一定的透过率,此外陶瓷的致密度直接影响其性能。因此PLZT陶瓷的制备工艺探索及光学、电学性能改进具有重要意义。本文选用了性能优异的PbLa_(0.04)(Zr_(0.52)Ti_(0.48))O_3陶瓷为研究对象,期望通过制备方式的探究,利用气氛烧结制备出致密度高的透明PLZT陶瓷。首先对陶瓷的制备工艺进行了研究,粉体的制备方法采用了传统的固相法以及溶胶凝胶法,球磨方式采用了普通球磨和高能球磨,通过对粉体物相、粒径以及陶瓷片致密度的分析确定了最佳的粉体制备工艺,之后又研究了粘结剂PVA的添加量以及烧结温度和保温时间等制备工艺对PLZT陶瓷致密度和性能的影响,通过物相、表面形貌以及性能的分析,确定了最佳制备工艺为:采用溶胶凝胶法与高能球磨法相结合制备PLZT粉体,经过700℃预烧2h后添加5%PVA粘结剂压制成型,在500℃保温1h排胶后在1250℃下保温2h,由此获得的PLZT陶瓷致密度可达99.45%,综合性能为:ε_r=758.26,tanδ=0.076,d_(33)=192.7pC/N,P_r=22.60μC/cm~2。为了提高PLZT的性能,本研究采用了离子掺杂的方法,选择Dy~(3+)、Nd~(5+)、Pr~(3+)三种稀土离子取代铅离子进行A位掺杂,W~(6+)离子取代钛离子进行B位掺杂,引入阳离子空位。分析了不同离子掺杂量对PLZT陶瓷电学性能的影响规律。研究结果表明,稀土离子掺杂可以有效提高材料的铁电、介电性能。Dy~(3+)掺杂PLZT陶瓷(PLDZT)时陶瓷的压电性能略有降低,铁电性能先增大后又有所降低,介电常数增大,介电损耗降低,介电性能变好。当Dy~(3+)掺杂量为3mol.%时陶瓷密度为7.78g/cm~3,电学性能较好:d_(33)=158.9pC/N,P_r=67.25μC/cm~2,ε_r=878.38,tanδ=0.035。Nd~(3+)掺杂PLZT陶瓷(PLNZT)时对陶瓷的影响与Dy~(3+)掺杂相似,当Nd~(3+)掺杂量为3mol.%时,电学性能较好:d_(33)=166.7pC/N,P_r=47。74μC/cm~2,ε_r=1083.41,tanδ=0.039。Pr~(3+)掺杂PLZT陶瓷(PLPZT)可提高材料的铁电、压电性、介电性能,当掺杂量为1mol.%时,铁电、压电性能最优:d_(33)=291.4pC/N,Pr=52.41μC/cm~2,介电性能在掺杂量为4mol.%时最佳:ε_r=941.25,tanδ=0.054。W~(6+)掺杂陶瓷(PLZTW)的压电性能降低,介电铁电性能提高,当掺杂量为2mol.%时电学性能最佳:d_(33)=344.9pC/N,P_r=39.53μC/cm~2,ε_r=1150.36,tanδ=0.044。我们对固相法和溶胶凝胶法制备的PLZT陶瓷以及厚度为0.35mm的Dy~(3+)、Pr~(3+)、Nd~(3+)、W~(6+)掺杂的PLZT陶瓷在390–780nm可见光波段的透过率(T)以及在紫外光250–390nm波段的吸收率(abs)进行分析。结果表明陶瓷的厚度越小可见光透过率越大,溶胶凝胶法制备的PLZT陶瓷可见光透过率更大,T=36.5–44.5%,abs=29.4%。Dy~(3+)掺杂可提高材料的可见光透射率和紫外光吸收率,掺杂量为4mol.%时,光学性能最佳:T=47.3–56.8%,abs=34.6%。PLNZT陶瓷的可见光透射率和紫外光吸收率均有所提高,当掺杂量为3mol.%时,可见光透射率较大,T=56.4–65.3%,当掺杂量为2mol.%时紫外光吸收率较大,abs=32.4%。PLPZT陶瓷的可见光透射率小于PLZT陶瓷,紫外光吸收率有少量增加,掺杂量为3mol.%时较大,abs=31.5%。W~(6+)适量掺杂可提高陶瓷的可见光透射率和紫外光吸收率,掺杂量为3mol.%时,可见光透射率较大:T=38.4–47.2%,当掺杂量为1mol.%时,紫外光吸收率较大:abs=38.7%。


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