鋯鈦比和燒結(jié)溫度對(duì)PMS-PZT壓電陶瓷性能的影響

劉長流 張珍宣 張?jiān)? 賴煒 張玉芬

摘 要：本文采用傳統(tǒng)固相燒結(jié)法制備Pb0.995Sr0.005（ZrxTi1-x）0.96（Sb2/3Mn1/3）0.04O3壓電陶瓷，研究了鋯鈦比和燒結(jié)溫度對(duì)該體系的壓電陶瓷性能的影響，并測(cè)試其居里溫度。結(jié)果表明：陶瓷的壓電性能隨Zr/Ti減小先升高后下降，當(dāng)Zr/Ti為50.5/49.5時(shí)，該體系的壓電性能取得最大值;壓電陶瓷的壓電性能隨燒結(jié)溫度增加先升高然后下降，在1200℃燒結(jié)溫度下，當(dāng)Zr/Ti=50.5/49.5時(shí)，獲得最優(yōu)的綜合性能，此時(shí)εT33/ε0=1628，tanδ=0.45%，Kp=0.73，d33=409pC/N，Qm=700;在所研究的組成范圍內(nèi)，隨著 Zr/Ti 的減小，介電常數(shù)溫度圖譜峰值向高溫移動(dòng)，當(dāng)Zr/Ti=50.5/49.5時(shí)，介電峰值對(duì)應(yīng)的居里溫度為325℃。

關(guān)鍵詞：壓電陶瓷;鋯鈦比;燒結(jié)溫度;壓電介電性能;居里溫度

1 前 言

近年來，隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)的發(fā)展，壓電陶瓷霧化片因具有體積小、重量輕、無觸點(diǎn)、無噪音、功耗低、高可靠、長壽命、可以適應(yīng)惡劣的工作環(huán)境等特點(diǎn)，逐漸被廣泛應(yīng)用于環(huán)境工程、醫(yī)療器械以及家用電器等領(lǐng)域。壓電陶瓷超聲霧化片用材料屬于大功率硬性壓電陶瓷材料。對(duì)這種材料的要求是[1]：高壓電常數(shù)，高機(jī)電耦合系數(shù) Kp，低介質(zhì)損耗和高的機(jī)械品質(zhì)因數(shù)，較高的機(jī)械強(qiáng)度以及耐疲勞等特點(diǎn);結(jié)合上述特點(diǎn)并通過查閱相關(guān)的文獻(xiàn)資料[2-4]，本實(shí)驗(yàn)選用銻錳-鋯鈦酸鉛體系為研究對(duì)象，試驗(yàn)了不同鋯鈦比和燒結(jié)溫度對(duì)壓電陶瓷性能的影響，以期獲得性能優(yōu)良的適合制備超聲霧化片的大功率壓電陶瓷材料。

2 試 驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)中所選用的原料為Pb3O4、TiO2、ZrO2、 SrCO3、MnO2、Sb2O3。本試驗(yàn)以Pb0.995Sr0.005（ZrxTi1-x）0.96（Sb2/3Mn1/3）0.04O3為研究對(duì)象，其中 0.495

2.2 制備工藝

試樣采用普通壓電陶瓷工藝制備。將氧化物粉料按化學(xué)計(jì)量比稱量，按氧化鋯球：原料：去離子水的重量比依次為2：1：0.7混合，以480 r/min行星球磨機(jī)球磨4 h。干燥后過篩，在氧化鋁坩堝中980℃預(yù)燒，保溫2 h。合成后的粉末按氧化鋯球：原料：去離子水的重量比為2：1：0.6依次混合，以480 r/min行星球磨機(jī)球磨6 h。烘干過篩后的瓷料添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)5%石蠟混合均勻，20? MPa下預(yù)壓，然后破碎過60目篩。150 MPa下加壓成型，制成Φ11.5 mm×1.0 mm的坯件，以1℃/min升溫至800℃下保溫1 h進(jìn)行排塑，在1140 ～ l220℃燒結(jié)，保溫2 h，燒好的陶瓷片經(jīng)清洗后被覆銀電極，燒銀溫度 800℃，最后在 110 ～ 120℃的硅油中極化30 min，極化場(chǎng)強(qiáng)為 3.5 ～ 4 KV/mm，極化好的樣品靜置24 h后測(cè)量。

2.3 樣品測(cè)試

采用頻率阻抗分析儀4194A測(cè)量諧振頻率、反諧振頻率以及相應(yīng)的等效阻抗，通過計(jì)算求出機(jī)電耦合系數(shù)Kp和機(jī)械品質(zhì)因數(shù)Qm。采用中科院聲學(xué)所研制的ZJ-3AN型準(zhǔn)靜態(tài)d33測(cè)量儀測(cè)試壓電常數(shù)d33;電容 C和介質(zhì)損耗tanδ采用 TH2617型測(cè)量儀，由電容計(jì)算出相對(duì)介電常數(shù) εT33/ε0。采用εr-T曲線方法測(cè)試各組成的居里溫度。

3 結(jié)果與討論

3.1 Zr/Ti對(duì)銻錳鋯鈦酸鉛壓電性能的影響

一般在室溫狀態(tài)下，鈣鈦礦型鐵電陶瓷的組成主要有兩種相結(jié)構(gòu)，分別是四方鐵電相（FT）和三方鐵電相（FR）。對(duì)于鋯鈦酸鉛壓電陶瓷來說，隨著Zr/Ti 含量的變化，兩相結(jié)構(gòu)之間發(fā)生轉(zhuǎn)變，兩相比例也會(huì)隨之變化[5-8]，從而導(dǎo)致壓電陶瓷的壓電、介電性能也發(fā)生顯著變化。因此，研究不同Zr/Ti 對(duì)壓電陶瓷壓電介電性能的影響非常重要。本文以Pb0.995Sr0.005（ZrxTi1-x）0.96（Sb2/3Mn1/3）0.04O3為研究對(duì)象，試驗(yàn)了Zr/Ti 為51.5/48.5、51/49、50.5/49.5、50/50、49.5/50.5時(shí)，銻錳鋯鈦酸鉛壓電陶瓷的壓電介電性能。試驗(yàn)預(yù)燒溫度為980℃，保溫時(shí)間為2 h，燒結(jié)溫度為1200℃，保溫時(shí)間為2 h。

圖 1、圖 2和圖 3給出了壓電陶瓷樣品的性能參數(shù)隨鋯鈦比變化的關(guān)系。從圖中可以看出，隨鋯鈦比的減小，試樣的相對(duì)介電常數(shù)εT33/ε0、機(jī)電耦合系數(shù)Kp和壓電常數(shù)d33先增加后下降，各性能參數(shù)均出現(xiàn)一最大值，其中介電常數(shù)、機(jī)械品質(zhì)因數(shù)Qm及機(jī)電耦合系數(shù)Kp均在 50.5/49.5 處取得最大值。這表明在 50.5/49.5 附近，材料的結(jié)構(gòu)處于三方-四方共存的狀態(tài)，并處于準(zhǔn)同型相界附近。而介質(zhì)損耗隨著鋯鈦比的減小而減小，這是由于隨著鋯鈦比的減小，試樣的組成由三方相向四方相轉(zhuǎn)變，三方相結(jié)構(gòu)的活動(dòng)性較四方相大，且更易極化，從而導(dǎo)致介質(zhì)損耗隨鋯鈦比的減小而減小。機(jī)械品質(zhì)因數(shù)Qm隨著鋯鈦比的減小先減小后增加然后再下降，這與一般鋯鈦酸鉛壓電陶瓷的變化在準(zhǔn)同型相界附近出現(xiàn)最小值的規(guī)律不同，在本實(shí)驗(yàn)中，Qm值在相界附近取得極大值，這可能是因?yàn)閾诫s Mn2+作用的影響。Mn2+進(jìn)入到晶格結(jié)構(gòu)中將產(chǎn)生氧空位，引起晶胞收縮歪曲，抑制電疇的轉(zhuǎn)向，起到硬性添加劑的作用，從而減小電疇運(yùn)動(dòng)的內(nèi)摩擦，增大Qm值。

在準(zhǔn)同型相界附近，材料表現(xiàn)出優(yōu)良的壓電性能，其原因有兩點(diǎn)[9-11]：第一，在相界處，微觀組織結(jié)構(gòu)中的空位及缺陷較多，在外電場(chǎng)作用下，電疇易于轉(zhuǎn)向。第二，在相界處，四方菱方兩種晶體結(jié)構(gòu)的能量很接近，并且在外界條件變化時(shí)，則發(fā)生一種結(jié)構(gòu)的擴(kuò)大，另一種結(jié)構(gòu)的縮小，正是這種結(jié)構(gòu)的活躍性使得相界附近組成的陶瓷具有壓電性能的極大值。