二步合成法制備0.8PMN-0.2PT 粉體

張群飛，馬金明，肖長江，栗正新

（河南工業(yè)大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，鄭州450001）

1 前言

弛豫鐵電材料由于其非常大的壓電響應(yīng)和獨(dú)特的介電行為而受到廣泛關(guān)注。在含鉛復(fù)合鈣鈦礦中發(fā)現(xiàn)了彌散相變和大頻率色散的弛豫行為。在過去的幾十年中，對由正常和弛豫鈣鈦礦鐵電體組成的鉛基固溶體的各種相變和晶體結(jié)構(gòu)進(jìn)行了許多實(shí)驗(yàn)研究[1]。而鈮鎂酸鉛- 鈦酸鉛(PMN-PT)陶瓷具有高介電常數(shù)和高靜電應(yīng)變以及低磁滯現(xiàn)象，因此在多層陶瓷和致動器應(yīng)用中受到廣泛關(guān)注[2-4]。此外，它是多層陶瓷中鈦酸鋇的一種有吸引力的替代品，因?yàn)樗梢栽诒肉佀徜^更低的燒結(jié)溫度下燒結(jié)，并且致動器中的壓電陶瓷在室溫下顯示出較高的介電常數(shù)[5]。

鉛基(Mg1/3Nb2/3)O3(PMN)材料制備過程中的主要問題是出現(xiàn)各種不良的焦綠石相，焦綠石相的存在會嚴(yán)重阻礙材料性能的發(fā)揮與提高，導(dǎo)致其介電損失較大，介電性能下降。為了獲得高性能，材料必須是較純的鈣鈦礦晶相，很少或沒有焦綠石相。

2 實(shí)驗(yàn)

2.1 實(shí)驗(yàn)過程

根據(jù)計(jì)算得出摩爾比MgO:Nb2O5=1:1，用天平稱量出各自所需樣品質(zhì)量。稱量時(shí)先對所需質(zhì)量較高的Nb2O5稱量，后加入MgO。將稱量好的MgO 與Nb2O5移入事先洗好的研缽中，在研缽中加入少量無水乙醇，然后進(jìn)行研磨，直至粉末研磨均勻，將樣品放入小坩堝中，并放入保溫箱中110 ℃保溫4 小時(shí)。將上述所得到的粉末放入爐中燒結(jié)，采用3 ℃/min 升溫速率，在1100 ℃下保溫4個(gè)小時(shí)，使Nb2O5和MgO 充分反應(yīng)，得到后續(xù)所需的前驅(qū)體MgNb2O6。將所得的前驅(qū)體粉末MgNb2O6倒入事先準(zhǔn)備的研缽中，加入少量無水乙醇進(jìn)行二次濕磨。研磨后，將樣品放于小坩堝中，放入干燥箱中，于110 ℃保溫4 小時(shí)，使樣品充分干燥，之后將烘干的樣品粉末放入粉體袋中，以備后用。將上述合成的前驅(qū)體粉末MgNb2O6進(jìn)行X 射線衍射，得出的結(jié)果與標(biāo)準(zhǔn)結(jié)果進(jìn)行對比。

將制備好的MgNb2O6、Pb3O4、TiO2按照事先算好的比例依次稱量，加入到研缽中，之后加入適量無水乙醇，進(jìn)行研磨。在充分研磨至樣品分布均勻，將所得粉體放入洗凈的小坩堝中，置于烘箱中110 ℃烘干4h。將上述步驟中得到的混合樣品放入坩堝中，為了保證樣品的純度，選用一個(gè)大的坩堝將其罩住，這樣既能使樣品反應(yīng)充分，還能減少Pb 的揮發(fā)。之后將樣品放入爐中，采用3 ℃/min 升溫進(jìn)行燒結(jié)，燒結(jié)完成后，隨爐冷卻得到0.8PMN-0.2PT 粉體。

2.2 樣品表征

采用X 射線衍射儀（XRD,D8 Advance，Bruker，Cu-Kα，λ=0.15406 nm）來對樣品進(jìn)行物相分析，掃描角度為10°- 90°。使用掃描電子顯微鏡分析儀（SEM,JEOL JSM- 6010）對粉末樣品進(jìn)行微觀結(jié)構(gòu)分析。

3 結(jié)果分析

3.1 樣品的晶體結(jié)構(gòu)分析

圖1 為使用兩步合成法制備出前驅(qū)體MgNb2O6 的XRD 圖。

圖1 先驅(qū)體MgNb2O6 的XRD 圖

從圖1 中可以看出：MgNb2O6粉體的衍射峰很尖銳，峰型很好，說明所得樣品結(jié)晶性較好，并對比標(biāo)準(zhǔn)試樣XRD 圖，確定樣品為先驅(qū)體MgNb2O6。

圖2 為不同溫度條件下反應(yīng)所制得的PMN-PT 粉末X 射線衍射圖，溫度950 ℃和850 ℃的雜質(zhì)峰強(qiáng)度比900 ℃的雜質(zhì)峰強(qiáng)度有所提高，并且鈣鈦礦相的峰強(qiáng)度相差不大，說明在900 ℃下燒結(jié)的PMN-PT 粉末所含雜質(zhì)較少。由于圖中三個(gè)溫度的圖線中都含有少量焦綠石相，可能是在反應(yīng)過程中鉛離子和鈮離子之間的反應(yīng)生成物會包裹住MgO，使鎂離子無法參與反應(yīng)，從而導(dǎo)致焦綠石相的生成。

3.2 樣品的微觀形貌分析

圖2 不同溫度下所得PMN-PT 粉末X 衍射圖

在900 ℃下制備樣品的SEM如圖3 所示。由圖3 可知：所得PMN-PT 粉體顆粒分散均勻，并且晶粒呈現(xiàn)類球型和部分片狀的形狀，晶粒尺寸在0.5 μm 到3 μm。

4 結(jié)論

圖3 PMN-PT 粉末的掃描電鏡圖

用二步合成法制備得到0.8PMN-0.2PT 粉體。由XRD 圖可以看出在燒結(jié)溫度為900 ℃時(shí)所生成的雜質(zhì)較少。由SEM圖可知，所得PMN-PT 粉體顆粒分散均勻，并且晶粒呈現(xiàn)類球狀和部分片狀結(jié)構(gòu)，晶粒尺寸在0.5μm到3μm 的范圍。