PZT基压电陶瓷的低温烧结及其应用

摘要

本论文以锆钛酸铅PZT(Zr/Ti=52/48)压电陶瓷材料为研究对象，采用传统固相烧结法对Pb1-xSmx(Zr0.52Ti0.48)1-x/4O3压电陶瓷材料进行了制备，并使用X射线衍射仪(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)、Agilent4284A精密阻抗分析仪和YE2730型d33测试仪等对所制得材料进行了表征和分析。研究了Sm2O3掺杂和烧结温度对PZT压电陶瓷材料微观结构、介电性能和压电性能等的影响，并同时研究了玻璃助烧剂LBBS和LMZBS的添加对降低PZT压电陶瓷材料烧结温度的作用。最终既降低了材料的烧结温度，又使得材料的综合性能得到了提升。 研究结果表明，Sm2O3的适量掺入能够提升PZT压电陶瓷的介电性能和压电性能。随着Sm2O3掺杂量的增加，压电陶瓷本身的钙钛矿结构不变，材料组成在MPB处菱面体晶相含量下降，MPB向另一晶相即正方晶相靠近。在陶瓷内部显微结构方面，Sm2O3的掺入抑制了陶瓷晶粒的生长，使晶粒变小。在Sm2O3掺杂量为x=0.06处获得最佳介电性能：εr=1476.751，tanδ=0.031；在Sm2O3掺杂量为x=0.03处获得最佳压电性能：d33=333pC/N，Kp=0.524。 玻璃助烧剂LBBS和LMZBS的引入可大幅降低压电陶瓷的烧结温度。LBBS玻璃的引入使压电陶瓷在较低温度下致密均匀生长，随着LBBS添加量的增加，所制得陶瓷瓷体的致密化程度逐渐增加，并且内部的晶粒尺寸生长更加均匀。LBBS的引入优化了压电陶瓷的介电性能，但同时使材料的压电性能有所恶化。在850℃烧结温度下，LBBS添加量为1wt%，Sm2O3掺杂量为x=0.03处获得最佳综合性能：相对密度为93.8%，εr=1284.6，tanδ=0.025，d33=315pC/N，Kp=0.519。在850℃烧结温度下，LMZBS添加量为1wt%，Sm2O3掺杂量为x=0.06处获得最佳综合性能：相对密度为92.6%，εr=1286.7，tanδ=0.029，d33=263pC/N，Kp=0.463。 基于所制得材料，使用COMSOL多物理场5.2软件设计并仿真了一款LTCC加速度传感器，其结构尺寸为15mm×15mm×2mm，共振频率为11.2kHz，电压灵敏度为6.69mV/g。

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绪 论

1.1 课题的研究背景

1.2 压电陶瓷的研究现状和发展趋势

1.3 压电陶瓷的应用

1.3.1 压电加速度传感器

1.3.2 压电陶瓷变压器

1.3.3 片式压电陶瓷滤波器

1.3.4 压电水声换能器

1.3.5 用于减震降噪方面的压电器件

1.4 低温烧结压电陶瓷材料

1.4.1压电陶瓷材料低温烧结的研究意义

1.4.2压电陶瓷材料的低温烧结研究现状

1.5 本论文主要研究内容

锆钛酸铅压电陶瓷的基础理论

2.1 压电陶瓷的原理

2.2 锆钛酸铅的特性

2.2.1 钛酸铅（PbTiO3）的特性

2.2.2 锆酸铅（PbZrO3）的特性

2.2.3 锆钛酸铅（PbZrO3-PbTiO3）的特性

2.3 锆钛酸铅二元系的改性问题

2.4.1 压电常数

2.4.2 介电常数

2.4.3 介电损耗

2.4.4 机电耦合系数

2.4.5 机械品质因数

2.4.6 频率常数

2.4.7 弹性常数

2.5 本章小结

样品的制备和表征

3.1.1 实验原料

3.1.2 实验仪器及设备

3.1.3 陶瓷样品的制备方法及流程

3.2 样品性能的表征方法

3.2.1 密度测量

3.2.2 相结构分析

3.2.3 微观形貌分析

3.2.4 介电性能测试

3.2.5 压电性能测试

3.3 本章小结

钐掺杂对锆钛酸铅压电陶瓷性能的影响

4.1 引言

4.2 研究体系的成分设计

4.3 结果与讨论

4.3.1 XRD相组成分析

4.3.2 SEM微观形貌分析与相对密度

4.3.3 介电性能

4.3.4 压电性能

4.4 本章小结

LBBS玻璃对钐掺杂锆钛酸铅压电陶瓷性能的影响

5.1 引言

5.2 研究体系的成分设计

5.3 结果和讨论

5.3.1 XRD相组成分析

5.3.2 SEM微观形貌分析与相对密度

5.3.3 介电性能

5.3.4 压电性能

5.4 本章小结

LMZBS玻璃对钐掺杂锆钛酸铅压电陶瓷性能的影响

6.1 研究体系的成分设计

6.2 结果和讨论

6.2.1 XRD相组成分析

6.2.2 SEM微观形貌分析

6.2.3 介电性能

6.2.4 压电性能

6.3 本章小结

LTCC加速度传感器的设计与仿真

7.1 引言

7.2 LTCC加速度传感器的建模与仿真

7.3 本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间取得的成果