大功率高稳定性压电陶瓷材料的研究

摘要

本论文运用传统的高温固相反应法合成了Pb(Sn1/3Nb2/3)O3-Pb(Zn1/3Nb2/3)O3-PbTiO3-PbZrO3四元系压电陶瓷，通过改变该系统的组成、进行添加改性和调整工艺等来实现大功率高稳定性压电陶瓷材料的高机械品质因数、高机电耦合系数、高压电系数、高强场下的低损耗以及良好的温度和时间稳定性的要求。 该系统材料在960℃左右的预烧温度，1260℃附近的烧结温度下，并运用二次合成方法的工艺条件下得到材料的微观、介电和压电性能较佳。最佳的极化温度为130℃，极化时间为30min，极化场强为3kV/mm。 随着Sr2+、Ba2+的A位固溶量的增加，虽然一定程度上提高了压电性能，但是却大大降低材料的居里点温度Tc，这就限制了材料的实际应用。Cr的掺杂使得d33和ε33T/ε0随其添加量的增加而增大，当加入量为0.5wt％时达到最大，然后随着铬的量增加而下降。结合XRD、SEM和EPR等分析手段分析，Cr的掺杂量较小时，高价铬在材料中起主导地位。当增大Cr的掺杂量时，渐渐低价起到主要掺杂改性的作用。并且Cr含量超过0.7wt％时，就大于了Cr在该系统中的“溶解度”，剩余的Cr会聚积在晶界，阻碍晶粒的长大，导致材料性能的恶化。强场性能分析表明Cr的掺杂会使材料的介电损耗有些增大。Cr的掺杂会明显提高PSN-PZN-PZT材料的温度和时间稳定性。 综合比较，较好的实验结果是在PSN-PZN-PZT材料中添加0.5wt％Cr，各项性能参数分别为：压电常数d33=350pC/N，机械品质因数Qm=1790，机电耦合系数Kp=0.553，居里温度Tc=323℃。介质损耗因子tgδ(％)=0.54(1V/mm)，1.0(200V/mm)，1.5(400V/mm)，2.0(600V/mm)。老化参数|A|=0.188％。频率温度系数TCFr=13ppm/℃。

目录

文摘

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第一章绪论

1.1前言

1.2文献综述

1.2.1压电陶瓷的压电性

1.2.2压电陶瓷的主要参数

1.2.3压电陶瓷材料的相图

1.2.4压电陶瓷的制备工艺过程

1.2.5压电陶瓷材料的掺杂改性

1.2.6复合钙钛矿型氧化物

1.2.7压电陶瓷的老化性能(经时稳定性)

1.2.8压电陶瓷的温度稳定性

1.2.9课题的提出

第二章实验过程及测试

2.1实验配方的确定

2.2实验设备

2.3实验准备

2.4合成工艺选取

2.5性能测试及仪器装置

2.5.1体积密度的测量

2.5.2介电常数ε及介电损耗tan δ

2.5.3压电应变常数d33(10-12C/N)

2.5.4机电耦合系数Kp和机械品质因素Qm

2.5.5居里温度TC

2.5.6电阻率

2.5.7压电陶瓷的老化性能(经时稳定性)

2.5.8压电陶瓷的温度稳定性

2.5.9显微结构及相组成

第三章结果与讨论

3.1不同预烧方法的比较

3.1.1不同预烧温度下材料性能的比较

3.1.2一次和二次合成XRD比较

3.2材料的烧结性能分析

3.2.1不同烧结温度下SEM分析

3.2.2不同烧结温度下PSN-PZN-PZT材料的性能分析

3.3材料的极化条件确定

3.3.1极化时间对材料性能影响

3.3.2极化温度对材料性能的影响

3.3.3极化场强对材料性能的影响

3.4不同组成对材料的性能分析

3.4.1 Zr/Ti对材料性能的影响

3.4.2 Sr、Ba置换对材料性能的影响

3.4.3 Cr的添加对材料性能的影响

3.5不同合成方法对Cr掺杂PSN-PZN-PZT材料性能影响

3.5.1不同的合成方法

3.5.2不同合成方法材料的XRD分析

3.5.3不同合成方法的微观结构

3.5.4不同合成方法材料的介电、压电性能

3.6材料在强场下的性能分析

3.7材料的稳定性

3.7.1材料的时间稳定性(老化性能)

3.7.2材料的温度稳定性

第四章结论

第五章参考文献

第六章科研及发表论文情况

第七章致谢