PZT压电陶瓷纳米晶粉体合成及掺杂改性研究

【摘要】：纳米粉体制备和掺杂改性技术的应用为压电陶瓷材料的性能改进提供了一条新的途径。本文研究了纳米晶PZT粉体的制备和各种添加剂，如La~(3+)、CNTs和γ′-Fe_4N对PZT压电陶瓷物理、介电及压电性能的影响。 近些年报道了大量均一、纯相PZT粉末的化学合成技术。其中溶胶-凝胶和水热合成是比较重要的技术。本文介绍了一种在相对较低的温度下，利用相对廉价的原料，通过结合这两种方法的优点合成纯相、均一、纳米晶PZT粉末的技术。由此可以制备组成和结构均一的PZT陶瓷。 选取了组成近于MPB的组成Pb(Zr_(0.52)Ti_(0.48))O_3进行研究。利用Pb(NO_3)2、Zr(NO3)_4·5H_2O、Ti(OC_4H_9)_4作为原料，NaOH作为矿化剂，通过DSC／TGA、FT-IR、XRD和SEM对合成粉体进行了分析和表征。PZT相在220℃开始出现，270℃2h合成了纯相纳米晶PZT粉末。这可以用来在较低的温度下制备PZT陶瓷，而且其性能可以和传统方法制备的陶瓷相媲美。纳米晶粉末经1150℃2h烧结的PZT陶瓷，平均晶粒尺寸为1.5μm，相对密度达到97.5％。压电常数d_(33)=220pC／N，介电常数ε_(33)~T／ε_0=1006，机电耦合系数K_p=0.5，机械品质因数Qm=410。研究表明这种合成方法对合成纳米晶PZT粉末是有效的，加之廉价的原料成本，使得此方法具有工业应用价值，也可以应用于和PZT相似材料的制备。 讨论了La~(3+)掺杂对PZT陶瓷的物理、介电及压电性能的影响。La~(3+)按如下表达式进行掺杂：Pb_(1_x)La_x(Zr_(0.52)Ti_(0.48))_(1-x／4)O_3，其中x(摩尔分数)=0.00，0.01，0.02，0.03，0.04，0.05和0.1。La~(3+)的掺杂使得ε_(33)~T／ε_0、K_p、d_(33)得到提高，Qm降低。最高值ε_(33)~T／ε_0=4500，K_p=0.55，d_(33)=230pC／N，最低值，Qm=70。 讨论了CNTs掺杂对PZT陶瓷的物理性能、介电及压电性能的影响。CNTs的掺杂量(wt.％)为0.0，0.1，0.2，0.3，0.4和0.5。CNTs的掺杂使得