PBSZT低损耗压电陶瓷材料及其功率器件制备技术的研究

摘要

本文研究了大功率低损耗压电陶瓷材料Pb1-a-bBaaSrb(Sn1/3Nb2/3)A(Zn1/3Nb2/3)B TiCZr1-A-B-CO3+xwt.[％]Mn(NO3)2+ywt.[％] Sb2O3(PBSZT)。系统研究了Sr、Ba的A位置换，Sb、Mn的掺杂对陶瓷性能的影响，对成型技术进行了研究。通过Zr/Ti调整，A位Ba、Sr置换，Mn、Sb掺杂制备出低损耗压电陶瓷材料Pb0.9Ba0.05Sr0.05(Sn1/3Nb2/3)0.06 (Zn1/3Nb2/3)0.06 Ti0.44Zr0.44O3+xwt.[％]Mn(NO3)2+ywt.[％]Sb2O3，研究了其低介电损耗和机械损耗。研究了烧结和极化工艺对陶瓷介电压电性能的影响。由实验得到，当Sb2O3掺杂量为0.2wt.[％]，而Mn(NO3)2的掺杂量为0.3wt.[％]时，得到最低的介电损耗tanδ([％])=0.27，其它指标分别为Qm＝817、Kp＝0.488、d33=293 pC?N-1和εr=1746。当Sb2O3掺杂量为0.2wt.[％]，而Mn(NO3)2的掺杂量为0.5wt.[％]时，得到介电损耗tanδ([％])=0.39，其它指标分别为Qm＝2809、Kp＝0.5、d33=270 pC?N-1和εr=1664。前者适中的Qm，使其适于收发两用的水声换能器，后者高激励特性更适于发射型水声换能器的制备。钴掺杂改性结果表明，与锰掺杂相比它对降低介电损耗的作用甚微，但大大提高了介电常数，在和锰复合掺杂下能较优的降低介电损耗；铈的掺杂对降低损耗有一定的作用，并得到较优的压电性能。老化研究表明，在相同的条件下5mol[％]Ba和5mol[％]Sr复合A位置换制备的PBSZT陶瓷有较好的介电老化性能(介电常数变化率δεr为13.9[％])，研究表明这与其电畴结构及其晶粒形貌有关；铈掺杂陶瓷的老化性能得到改善，研究表明这是由于铈掺杂带来的空间电荷对电畴的“钉扎”作用。由烧结实验研究得到的优化烧结工艺为，以300℃/h的升温速率到1250℃处保温3h；极化实验研究得到的优化烧结工艺为以120-140℃极化温度、4-4.5kV/mm极化电场、保压30min。
　　 本文系统研究了本体系的用凝胶注模成型技术。研究了凝胶注模成型工艺中分散剂聚甲基丙烯酸铵、浆料pH值和固相含量对稳定浆料粘度的影响，实验结果表明基丙烯酸铵分散剂最佳用量为陶瓷粉体质量分数0.30[％]～0.45[％]、浆料最佳pH值为8.5～11.0，此时可制备体积分数为50vol[％]粘度小于1Pa·s适于凝胶注模的稳定陶瓷浆料。与干压成型相比，凝胶注模成型的陶瓷有更好的微观结构。采用柠檬酸三铵作为分散剂的实验表明，该分散剂也是一种有效的分散剂，但分散效果较聚甲基丙烯酸铵略差。实验表明当用柠檬酸三铵作为分散剂时，当浆料pH值为10左右时，有较低的表观粘度。该分散剂的最佳用量为PZT基粉体1.5～2.0wt.[％]，此时制备出固含量达50vol[％]的分散性好，粘度小于1Pa·s的稳定陶瓷浆料，适于凝胶注模成型。采用干压成型PBSZT时，得到较好的介电常数均匀性(4.06[％])。在相同的烧结条件下，凝胶注模成型样品的压电介电性能分别为tanδ=0.25[％]，Qm＝579，Kp＝0.510，d33=330 pC?N-1和εr=1511；而干压成型样品的压电介电性能分别为tanδ=0.47[％]，Qm＝2065，Kp＝0.515，d33=322 pC?N-1 and εr=1470。结果表明不同成型对Qm和介电损耗tanδ产生显著的影响。对损耗机理和介电损耗的关联性进行了研究表明，其关联性决定于90°畴，受成型工艺和材料组成的影响。