弛豫铁电体PMN-PT陶瓷的热压烧结制备与电学性能研究

摘要

弛豫铁电体(1-x)Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-xPbTiO3(PMN-PT)具有优异的压电、介电、电光等性能,在压电驱动器、多层陶瓷电容器、光调制器件等方面有广阔的应用前景。本文用Nb2O5、MgO、PbO和TiO2等氧化物原料,采用铌铁矿法制备了PMN-PT粉体,粉体成型后再分别用热压和无压烧结工艺制备了0.67PMN-0.33PT陶瓷,研究了Pb过量、烧结温度及保温时间对PMN-PT陶瓷显微结构和性能的影响。用Matlab编程模拟了气孔和晶界对PMN-PT陶瓷光透过率的影响,热压烧结制备了较透明的掺La的0.75PMN-0.25PT陶瓷,并研究了其显微结构和电学性能。
　　 研究表明,适宜的Pb过量有助于PMN-PT陶瓷烧结及其电学性能的提高。PMN-PT陶瓷在Pb过量1%时显微结构均匀,有较高的致密度,其铁电、介电、压电等性能最优。经热压烧结制备的PMN-PT陶瓷的电学性能优于无压烧结陶瓷,例如,对压电系数d33,660pC/N优于600pC/N;对机电耦合系数kp,71%优于61%。另一方面,当Pb过量太多(5%)时陶瓷中气孔等缺陷增多,致密度降低,其电学性能明显下降。
　　 实验还发现,热压烧结有助于降低PMN-PT陶瓷烧结温度。若采用热压烧结,在1150℃即可烧成具有较高的致密度的陶瓷;但是如果用无压烧结,在1210℃时才有明显的烧结过程。对热压烧结,随着保温时间的延长,烧结过程逐渐完成,致密度提高,陶瓷的电学性能提高。保温8小时烧成的陶瓷的压电系数d33～680pC/N,其剩余极化值Pr达到～40μC/cm2。
　　 根据Mie和Raleigh-Gans-Debye散射理论,用matlab编程模拟了0.65PMN-0.35PT透明陶瓷中气孔和晶界处双折射对光透过率的影响。结果表明,随陶瓷中气孔率升高,光的直线透过率和总透过率都迅速下降;随着气孔半径增大,这两种透光率先减小而后再增大;在气孔尺寸与入射光波长相近时,光的直线透过率最低;随着晶粒尺寸变大,光的直线透过率单调递减,而总透过率几乎不变。
　　 La掺杂有助于PMN-PT陶瓷烧结,通过热压烧结制备了较透明的掺La的PMN-PT陶瓷。对双面抛光厚0.5mm的陶瓷,在入射光波长为600nm时,总透过率至少在30%以上。该陶瓷的电滞回线矩形度好,漏电流密度低(～3×10-7A/cm2)。