A位摻雜對BF-PZT壓電陶瓷性能的影響

張元松，鐘敏，張靜，燕周民，賴煒

A位摻雜對BF-PZT壓電陶瓷性能的影響

張元松，鐘敏，張靜，燕周民，賴煒

(貴州振華紅云電子有限公司，貴州 貴陽 550018)

BF-PZT壓電陶瓷；A位摻雜；介電和壓電性能；介電弛豫特性

0 引 言

鋯鈦酸鉛(PbZrxTi1-xO3，PZT)是一種壓電陶瓷材料，能夠?qū)C械能和電能互相轉(zhuǎn)換。為獲得更高性能的PZT壓電陶瓷，可對PZT進行摻雜改性，形成鈮鎳酸鉛—鋯鈦酸鉛、鈮鎂酸鉛—鈮鋅酸鉛—鋯鈦酸鉛、鈮銻酸鉛—鈮鎂酸鉛—鈮鎳酸鉛—鋯鈦酸鉛等多元系的壓電陶瓷。其廣泛應(yīng)用于壓電發(fā)聲器件、壓電散熱器、超聲清洗、超聲換能器和壓電致動器等，并在醫(yī)療、航空、智能傳感、軍事打擊、船舶以及民用等各個領(lǐng)域得到越來越多的運用[1-5]。其中，民用領(lǐng)域最為廣泛，主要集中在壓電電聲、超聲振動等器件上。隨著智能家居的發(fā)展，對壓電電聲、超聲振動等器件的性能要求也越來越苛刻，從而要求壓電陶瓷具有更高的介電常數(shù)、壓電常數(shù)、穩(wěn)定性及機電耦合系數(shù)。

BF-PZT(BiFeO3-Pb(Zr,Ti)O3)體系通過B位摻雜BCN[6](Ba(Cu1/3Nb2/3)O3)、PMN[7](PbMn1/3Nb2/3)O3)等獲得穩(wěn)定性較好的壓電陶瓷，并成功應(yīng)用在壓電變壓器以及超聲振動器件上，但是介電常數(shù)(≤2000)、壓電常數(shù)(≤400 pC/N)以及機電耦合系數(shù)(kp≤0.60)較低，限制了BF-PZT體系的應(yīng)用范圍。本文采用傳統(tǒng)固相燒結(jié)法制備了BF-PZT壓電陶瓷材料，通過研究A位摻雜對該體系的介電、壓電性能的影響，并得到高電壓電高、平面機電耦合系數(shù)高的壓電陶瓷，并廣泛應(yīng)用于壓電電聲、超聲振動等器件。

1 實 驗

1.1 樣品的制備

本文實驗分兩步進行：

(1) 不同Zr/Ti比例的研究

組分為：0.90Pb (Zr，Ti)O3-0.10BiFeO3，其中，Zr/Ti=1.20，1.22，1.24，1.26，1.28，1.30。

(2) A位摻雜量的研究

A位摻雜量是在確定出最好的Zr/Ti比基礎(chǔ)上進行的，組成為：

0.90Pb1-xAx(Zr，Ti)O3-0.10BiFeO3，x=0.10，0.12，0.14，0.16，0.18；其中，A位摻雜的組分有：BaCO3：5—8 at%、SrCO3：3—6 at%、CaO：1—2 at%、MgO：1—2 at%。

上述配方采用一步固相燒結(jié)法制備樣品。選用紅丹(Pb3O4，≥99.8 %，分析純)、碳酸鍶(SrCO3，≥99.1 %，分析純)、碳酸鋇(BaCO3，≥99.1 %，分析純)、氧化鈣(CaO，≥99.5 %，分析純)、三氧化二鉍(Bi2O3，≥99.4 %，分析純)、氧化鎂(MgO，≥99.4 %，分析純)、二氧化鋯(ZrO2，≥99.0 %，分析純)、二氧化鈦(TiO2，≥99.6 %，分析純)、三氧化二鐵(Fe2O3，≥99.9 %，分析純)粉體作為原材料，根據(jù)化學(xué)計量比計算，并在室溫條件下稱料，加入一定配比的鋯球和去離子水，球磨6 h后，進行干燥過篩，粉料在1000 ℃下預(yù)燒2 h。預(yù)燒后進行二次球磨8 h后干燥，加入5 wt.%的聚乙烯醇造粒，在100 MPa壓機中壓制成Ф20×1.0 mm的生坯。生坯在1270 ℃下燒結(jié)2 h。燒結(jié)后的樣品用Ф18 mm的尼龍網(wǎng)印銀、750 ℃烘銀，并在100 ℃的硅油內(nèi)，按3 kv/mm極化20 min，靜置24 h后進行壓電性能、掃描、XRD、介電溫譜等測試。

1.2 樣品表征

其中，C為靜電電容(單位：pF)。

2 實驗結(jié)果與討論

2.1 XRD衍射分析

0.10BF-0.90PZT體系不同Zr/Ti比制備樣品的XRD衍射圖譜見圖1所示。

圖1 不同Zr/Ti比樣品的XRD圖譜

圖1的XRD圖譜中每組樣品的相結(jié)構(gòu)均是鈣鈦礦結(jié)構(gòu)，說明鐵酸鉍全部進入PZT結(jié)構(gòu)中。當(dāng)Zr/Ti>1.24時，在2θ=44o—46o范圍內(nèi)的XRD衍射呈現(xiàn)單峰，衍射峰為對應(yīng)的三方相(200)面；當(dāng)Zr/Ti≤1.24時，在2θ=44o—46o范圍內(nèi)的XRD衍射呈現(xiàn)雙峰，衍射峰晶面對應(yīng)的四方相(002)和(200)面；隨著Zr/Ti的比例減小，雙峰越來越明顯。這說明當(dāng)Zr/Ti=1.22、1.20時，四方相越來越多，Zr/Ti的比例越小，三方相逐漸消失。當(dāng)Zr/Ti=1.24時，在2θ=44o—46o范圍內(nèi)出現(xiàn)三方相與四方相兩相共存的區(qū)域，這說明0.10BF-0.90PZT體系的準(zhǔn)同型相界在Zr/Ti=1.24附近。

2.2 A位摻雜對0.10BF-0.90PZT體系壓電介電性能的分析

將A位摻雜到0.90Pb1-xAx(Zr，Ti)O3-0.10 BiFeO3體系中，Zr/Ti=1.24，x=0.10，0.12，0.14，0.16，0.18；制備樣品測試介電壓電性能見圖2所示。

圖2 A位摻雜組分的電性能

2.3 部分樣品的掃描分析

將x=0.16的組分制成的樣品，燒結(jié)后表面與斷面的顯微結(jié)構(gòu)見圖3所示。

圖3 x=0.16組分的顯微結(jié)構(gòu)圖

從掃描結(jié)果看出，表面與斷面的顯微結(jié)構(gòu)中，晶界清晰，部分晶粒長大，說明燒結(jié)溫度比較適中，但保溫時間比較短；部分晶界上有微小細晶析出，這說明對于0.10BF-0.90PZT體系A(chǔ)位摻雜濃度已經(jīng)達到飽和狀態(tài)。如果再增加A位摻雜的濃度，晶界的細小晶粒會長大，從而會影響體系的壓電與介電性能。這樣進一步證明，0.10BF-0.90PZT體系中x=0.16時，壓電與介電性能最優(yōu)。

2.4 介電溫譜分析

圖4 相對介電常數(shù)()與溫度的圖譜

3 結(jié) 論

(1) 采用固相燒結(jié)法制備0.10BF-0.90PZT壓電陶瓷，通過Zr/Ti比研究發(fā)現(xiàn)，組分的準(zhǔn)同型相界(MPB)位于Zr/Ti=1.24附近，隨著Zr/Ti比的降低，組分由三方相向四方相轉(zhuǎn)變。

(3) 通過顯微結(jié)構(gòu)分析，0.10BF-0.90PZT體系中A位摻雜量為0.16時，摻雜濃度達到飽和；再經(jīng)過介電溫譜測試了Zr/Ti=1.24、A位摻雜量為0.16的組分的居里溫度(Tc)為214 ℃，并發(fā)現(xiàn)該體系具有典型的介電弛豫特性。

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The Effect of A Doping on the Electric Properties of BF-PZT Piezoelectric Ceramics

ZHANG Yuansong, ZHONG Min, ZHANG Jing, YAN Zhoumin, LAI Wei

(Guizhou Zhenhua Hongyun Electronics CO., Ltd., Guiyang, 550018, Guizhou, China)

BF-PZT piezoelectric ceramics; A doping; dielectric and piezoelectric properties; dielectric relaxation characteristic

TQ174.75

A

1006-2874(2020)04-0010-04

10.13958/j.cnki.ztcg.2020.04.003

2020?04?03。

2020?04?05。

貴州省科技計劃項目(201921590184230206)。

張元松，男，碩士，工程師。

2020?04?03.

2020?04?05.

ZHANG Yuansong, male, Master, Engineer.

zys2004-2005@163.com