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双晶片用PZT-PZN-PNN系压电陶瓷材料的电性能和温度稳定性研究

杨莉莉  
【摘要】: 压电双晶片在微型机械、微型机器人和微控制器中有着广阔的应用前景。根据双晶片用压电陶瓷是在较大的振动位移的状态下工作的,因此,要求其压电材料应具有高的压电常数d_(33)和机电耦合系数k_p及低的机械品质因数Q_m和低的介电损耗tanδ。由于Pb(Zr_(0.48)Ti_(0.52))O_3-Pb(Zn_(1/3)Nb_(2/3))O_3-Pb(Ni_(1/3)Nb_(2/3))O_3(缩写为PZT-PZN-PNN)体系具有较好的压电性能和良好的烧结特性,本文通过对这个体系进行PZT和PNN组分含量的变化、锆钛比的调整以及加入第五组元PMW等方面的研究,提高了材料体系的压电性能和温度稳定性,获得了能够满足实际应用要求的双晶片用压电陶瓷材料。 首先,采用传统固相法制备了不同PZT含量的PZT-PZN-PNN四元系压电陶瓷,随着PZT含量从0.81到0.89的变化过程中,材料的相结构均为四方相且c/a比逐渐增加,表明材料的四方相逐渐加强。同时,随着PZT含量的增加,其谐振电阻R_f和带宽△_f逐渐减小,并向高频方向移动。当PZT含量为0.83时,获得了较优的压电性能:d_(33)=477 pC/N,k_P=0.71,Q_m=98,tanδ=0.0070和ε_r=2228。另外,在-20℃到+120℃温度变化过程中,随着组分PZT含量的增加,材料的介电常数温度系数△ε_r/ε_(r25℃)逐渐减小,表明其温度稳定性逐渐增强。 其次,在PZT含量调整之后,对材料配方中PNN的含量进行了调整。随着PNN含量的增加,材料相结构均为四方相结构,材料的c/a先增大,后减小。随着PNN含量的增加,材料的机电耦合系数k_p和压电常数d_(33)先增大后减小,在y=0.36处得到最大值。材料的Q_m随着PNN含量的增加而减小。材料在PNN含量为0.36时获得较优的压电性能:d_(33)=527pC/N,k_p=0.78,Q_m=122,tanδ=0.0060和ε_r=2465。此时,材料的谐振频率温度系数△f_r/f_(r25℃)在120℃时仅为1.50%,综合考虑频率温度稳定性和压电性能,选择PNN摩尔含量为0.36,作为下一步研究的基础。 随后,对材料体系的性能随Zr/Ti比变化的规律进行了研究。研究发现:在Zr/Ti比从0.720到1.041变化的过程中,材料相结构均为四方相。当Zr/Ti比接近于1.041时,材料的c/a接近于1,显示此时材料近位于相界附近偏三方相的区域。材料在Zr/Ti比为0.985时获得了性能较佳的材料组成: 0.83Pb(Zr_(0.496)Ti_(0.504))O_3-0.17{0.64Pb(Zn_(1/3)Nb_(2/3))O_3-0.36Pb(Ni_(1/3)Nb_(2/3))O_3}+0.3wt%CeO_2+0.1wt%MnO_2。其压电性能分别为:d_(33)=552 pC/N,k_p=0.77,Q_m=70,tanδ=0.0150和ε_r=2659。当Zr/Ti=0.985时,材料的△f_r/f_(r25℃)在120℃时仅为1.03%,表明此时材料配方具有较好的频率温度稳定性。 最后,为进一步提高材料的压电性能和温度稳定性,在材料体系中添加了第五组元PMW,在PMW的添加量z=1.60mol%时,获得了一个电性能和温度稳定性较优的压电陶瓷材料配方体系: 0.83Pb(Zr_(0.480)Ti_(0.520))O_3-0.17{0.64Pb(Zn_(1/3)Nb_(2/3))O_3-0.36Pb(Ni_(1/3)Nb_(2/3))O_3}+1.60mol%Pb(Mg_(1/2)W_(1/2))O_3+0.3wt%CeO_2+0.1wt%MnO_2。其压电性能分别为:d_(33)=565pC/N,k_p=0.78,Q_m=89,tanδ=0.0066和ε_r=2523。同时,材料的频率温度稳定性达到极小值:当测试温度为120℃时,材料的△f_r/f_(r25℃)在120℃时仅为-0.32%,此材料性能可以满足双晶片对压电材料性能的要求。


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