铅基弛豫铁电体-锆钛酸铅四元系压电陶瓷的烧结特性及电性能研究

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为了能在较低的烧结温度下获得具有高压电常数d33、高机电耦合系数kp、高相对介电常数εT33/ε0、适中机械品质因数Qm和低介电损耗tanδ的压电陶瓷材料,以满足多层压电变压器、压电驱动器和陶瓷电容器等多层压电陶瓷器件应用要求,本文以ZnO、Li2CO3和Bi2O3作为低温烧结助剂,研究其对PZT基四元系压电陶瓷材料的微观形貌、烧结密度、介电和压电性能的影响。
　　首先,本文研究了添加ZnO/Li2CO3比例和总量的不同对PZT基四元系压电陶瓷的烧结特性和电性能的影响。实验结果表明:ZnO/Li2CO3的加入没有改变基体材料晶体结构,同时形成的液相促进了烧结致密化并降低了烧结温度。当ZnO:Li2CO3=1:2,ZnO/Li2CO3=3.75mol％时,在较低的温度范围内便能获得较高的致密度和综合电性能,可以满足多层陶瓷器件中不同内电极的使用要求,具有一定的实用价值。例如在820℃烧结2h后,其压电常数d33、机电耦合系数kp、机械品质因数Qm、介电常数εT33/ε0、介电损耗tanδ分别为:545pC/N,0.52,56,3174,0.047,可以满足纯Ag浆作为内电极时的使用要求;在980℃烧结2h后,其电性能分别为:715pC/N,0.59,53,4153,0.031,可以满足90Ag-10Pd浆作为内电极时的使用要求;在1020℃烧结2h后,其电性能分别为:690pC/N,0.58,56,3730,0.035,可以满足85Ag-15Pd浆作为内电极时的使用要求。
　　接着,本文还研究了烧结温度和保温时间对ZnO/Li2CO3掺杂的PZT基四元系压电陶瓷材料的微观结构和机电性能的影响。实验表明:当烧结温度为1020℃时,晶界迁移能高,晶粒尺寸大且均匀,样品结构致密,气孔少。保温时间为2h时,液相浸润晶界充分,晶粒发育完整,晶界间隙小。综上所述,当烧结工艺为在1020℃下保温2h时,即可获得结构致密、微观组织均匀和电性能优异的样品。
　　最后,为了进一步降低烧结温度,使之可以与低成本Ag-Pd电极相匹配,本文在添加ZnO/Li2CO3(ZnO:Li2CO3=1:2,ZnO/Li2CO3=3.75mol%)的基础上,进一步研究了少量Bi2O3的添加对PZT基四元系压电陶瓷的致密化行为和电性能的影响。实验结果表明:少量Bi2O3没有改变主晶相结构,同时能明显提高材料致密度,Bi3+的掺杂作用还进一步增强了材料的弛豫特性。添加0.1mol%Bi2O3样品在820℃~1020℃下保温2h后的电性能为:d33=533~742pC/N,kp=0.56~0.64,Qm=42~68,εT33/ε0=3122~4251,可以满足低成本Ag-Pd电极的使用要求,在多层压电陶瓷器件方面应用潜力巨大。

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作者
左文武;
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作者单位

合肥工业大学;

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授予单位合肥工业大学;
学科材料物理与化学
授予学位硕士
导师姓名左如忠;
年度 2013
页码
总页数
原文格式 PDF
正文语种中文
中图分类压电陶瓷材料;
关键词
ZT基四元系压电陶瓷材料; 微观形貌; 烧结密度; 电性能;

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