0.655PMN-0.345PT 壓電陶瓷流延成型工藝研究

王 會，李 冉，高 亮，趙 毅，徐姍姍

（北方通用電子集團(tuán)有限公司 微電子部，江蘇 蘇州 215163）

PMN-PT 壓電陶瓷制備工藝很多，較為常見的工藝如固相燒結(jié)法、熔鹽法、半化學(xué)法及氧化物混合法等[1-4]。其中，傳統(tǒng)壓電陶瓷的制備多采用固相反應(yīng)法合成，但利用此方法制備的PMN 基陶瓷材料粉體經(jīng)常存在著一定的焦綠石相，而焦綠石相的存在會嚴(yán)重弱化壓電陶瓷材料的介電性能[5-7]。隨著壓電陶瓷在多層陶瓷電容器、電光學(xué)器件、微位移驅(qū)動器等精密領(lǐng)域的應(yīng)用，其對陶瓷性能提出了更高的要求。因此近年來出現(xiàn)了一些新工藝新方法應(yīng)用在壓電陶瓷的制備上[8-9]。

本文通過前驅(qū)體法外加流延成型法制備了高純鈣鈦礦相 0.655Pb（Mg1/3Nb2/3）O3-0.345PbTiO3壓電陶瓷。通過對試樣物相、密度、微觀形貌、壓電、介電及鐵電性能的測試，研究了燒結(jié)溫度對樣品性能的影響規(guī)律，得到最優(yōu)的燒結(jié)溫度。與傳統(tǒng)的固相燒結(jié)法相比，流延成型法制備的陶瓷性能更優(yōu)。

1 實(shí)驗(yàn)

本文通過流延成型法制備了PMN-PT 壓電陶瓷，原材料包括 PbO、Nb2O5、MgO 和 TiO2，具體如表 1 所示。

0.655PMN-0.345PT 壓電陶瓷制備過程主要分為兩步：第一步為前驅(qū)體法合成MgNb2O6（燒結(jié)溫度分別設(shè)置為1020℃，1050℃，1080℃）；第二步為流延成型法制備0.655Pb（Mg1/3Nb2/3）O3-0.345PbTiO3壓電陶瓷。

表1 原材料具體指標(biāo)及配比

0.655PMN-0.345PT 壓力陶瓷制備完成后，通過X 射線衍射儀測定和分析試樣的物相；利用掃描電鏡分析陶瓷微觀形貌；利用準(zhǔn)靜態(tài)測試儀測試陶瓷壓電常數(shù)；利用精密阻抗分析儀測試陶瓷機(jī)電耦合系數(shù)、介電常數(shù)；利用鐵電分析儀測量陶瓷電滯回線。

2 結(jié)果與分析

2.1 物相分析

實(shí)驗(yàn)采用二次合成法制備鈮鎂酸鉛PMN，為促進(jìn)Pb（Mg1/3Nb2/3）O3（PMN）的形成，將MgO 設(shè)置為過量0.3%，因?yàn)镸gO 的微過量可以促進(jìn)化學(xué)反應(yīng)。

分別在1020℃，1050℃，1080℃三個(gè)溫度下率先制備前驅(qū)體MgNb2O6，前驅(qū)體可以避免焦綠石相的生成。對制備的陶瓷進(jìn)行XRD 測試，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖1 所示。三個(gè)溫度下合成的MgNb2O6均具有純鈮鐵礦相結(jié)構(gòu)。本實(shí)驗(yàn)最終確定1050℃作為前驅(qū)體的合成溫度。

圖1 不同燒結(jié)溫度下MgNb2O6 前驅(qū)體XRD 圖譜

2.2 顯微結(jié)構(gòu)分析

利用掃描電子顯微鏡觀察了不同燒結(jié)溫度下樣品的微觀形貌，如圖2 所示。結(jié)果表明，陶瓷晶粒之間結(jié)合緊密，橫截面并無明顯的分層現(xiàn)象，說明流延成型制備的壓電陶瓷晶粒生長狀況良好。此外，隨著燒結(jié)溫度的升高，陶瓷晶粒逐漸長大。

由于當(dāng)燒結(jié)溫度較低時(shí)，晶粒生長沒有完全發(fā)育并伴有氣孔，如圖2（a）。燒結(jié)溫度升高時(shí)，晶粒生長發(fā)育逐漸完全，晶粒與晶粒之間結(jié)合也更加緊密，此時(shí)已幾乎觀察不到氣孔，晶粒尺寸比較均勻，約為3～4m，如圖2（c）。而當(dāng)溫度繼續(xù)升高到1225℃時(shí)，陶瓷晶粒異常長大，晶粒尺寸約為9～11μm，如圖 2（d）。這是因?yàn)闊Y(jié)溫度較高，晶界處缺陷減少，晶粒易于生長。

2.3 電性能

圖3 所示為0.655PMN-0.345PT 壓電陶瓷的d33和kp隨燒結(jié)溫度的變化關(guān)系。從圖中可以看出，當(dāng)燒結(jié)溫度從1150℃升高到1200℃時(shí)，d33值從 610pC/N 快速增加至700pC/N，kp值同樣從0.549 增加至0.605。這是由于隨著燒結(jié)溫度升高，陶瓷晶粒逐漸長大，氣孔率減小，致密度增大，使得壓電性能提高，表現(xiàn)為d33和kp值均增加。當(dāng)燒結(jié)溫度進(jìn)一步升高至1225℃時(shí)，致密度下降，晶粒尺寸異常長大，一定程度上影響了性能，d33和kp值都開始下降，結(jié)果表明壓電陶瓷在1200℃燒結(jié)時(shí)壓電性能最好。

圖4 所示為0.655PMN-0.345PT 壓電陶瓷的介電常數(shù)εr和介電損耗tanδ 與燒結(jié)溫度的關(guān)系。結(jié)果表明，介電常數(shù)εr和介電損耗tanδ 隨著燒結(jié)溫度的變化趨勢與壓電性能隨燒結(jié)溫度的變化趨勢相似，即先增加后減小，在1200℃達(dá)到最大值，介電常數(shù)εr為4.77×103，介電損耗tanδ 為0.016。其原因可以解釋為，在溫度升高的這一過程中，晶粒不斷增大，導(dǎo)致單位體積內(nèi)晶界的數(shù)量減少，而晶界屬于非鐵電相，其介電常數(shù)與晶粒的介電常數(shù)相比要小得多，所以晶界數(shù)量的減少，在一定程度上導(dǎo)致了陶瓷介電常數(shù)的增大。在1200℃以后，介電常數(shù)和介電損耗皆呈下降趨勢，這是由于晶粒異常長大，致密度降低，晶界的體積分?jǐn)?shù)增大，導(dǎo)致介電性能下降。

0.655PMN-0.345PT 壓電陶瓷同樣具有鐵電性，電滯回線是鐵電材料的重要物理特性。圖5 所示為不同燒結(jié)溫度下壓電陶瓷的電滯回線，剩余極化強(qiáng)度和矯頑場在1200℃分別出現(xiàn)極大值30.68μC/cm2和極小值0.35kV/mm，剩余極化強(qiáng)度變大和矯頑場變小說明疇壁容易活動，所以極化效率和壓電性能提高。

圖3 不同燒結(jié)溫度下0.655PMN-0.345PT 壓電陶瓷的壓電常數(shù)d33 和機(jī)電耦合系數(shù)kp

圖4 不同燒結(jié)溫度下0.655PMN-0.345PT 壓電陶瓷的介電常數(shù)εr 和介電損耗tanδ

圖5 不同燒結(jié)溫度下0.655PMN-0.345PT 壓電陶瓷的電滯回線

3 結(jié)論

本文利用前驅(qū)體法外加流延成型法制備了0.655PMN-0.345PT 壓電陶瓷，根據(jù)顯微分析結(jié)果，樣品橫截面的晶粒之間結(jié)合緊密，無明顯分層現(xiàn)象，說明該方法成功制備了0.655PMN-0.345PT 壓電陶瓷。燒結(jié)溫度為1200℃時(shí)陶瓷性能最好，此時(shí)陶瓷性能最好：壓電常數(shù)d33=700pC/N，介電常數(shù)εr=4.77×103，機(jī)電耦合系數(shù)kp=0.605，介電損耗tanδ=0.016，剩余極化強(qiáng)度 Pr=30.68μC/cm2。