锆钛酸铅压电陶瓷的研究现状.docxVIP

锆钛酸铅压电陶瓷的研究现状 20世纪50年代，自美国b.jaffe和其他科学家在pzt（锆酸铅）压瓷中发现pzt（铁酸铅）以来，国内外科学家进行了大量研究，并开发出了各种基于pzt的feli陶瓷材料。PZT压电陶瓷的制备工艺简单,可以方便地制成各种形状并且具有良好的压电、介电和光电等电学性能,广泛地应用于电子、航天等高新技术领域以及机械、通信等方面,因此研究提高PZT陶瓷压电性能的方法,优化PZT压电陶瓷生产工艺对进一步提高其压电性能具有重要的意义。 1 pzt系列压电陶瓷 PZT压电陶瓷是由铁电相PbTiO3和反铁电相PbZrO3组成的固溶体,它是一种能够将机械能和电能互相转换的重要的信息功能陶瓷材料,现在已经发展成为PZT系列压电陶瓷。对PZT系列压电陶瓷进行研究发现,通过改变组分或变换外界条件可在很大范围内调节PZT压电陶瓷的电物理性能。随着现代电子信息技术的飞速发展,PZT陶瓷材料的开发已成为研究的热点,目前,提高PZT压电陶瓷性能的研究主要集中在改变化学组分和改进制备工艺两个方面。 1.1 锆钛物质的量比对陶瓷压电性能的影响 PbTiO3和PbZrO3都是ABO3钙钛矿型的结构,能生成完全互溶的固溶体,形成PZT压电陶瓷。如果PbTiO3和PbZrO3的物质的量比不同(即锆钛比不同),得到的便是不同成分的固溶体,性能也就有所不同,通过调整n(Zr)/n(Ti)可以改变PZT材料的压电性能。锆钛比变化对PZT基陶瓷的性能影响很大,为了得到良好的介电和压电性能,一般将组成选择在相界附近。在相同的烧结条件下,不同的锆钛比会形成不同的相结构,还会影响晶粒的均匀性,从而影响压电性能。图1为在同一烧结温度(1230℃)下,对不同锆钛物质的量比的陶瓷样品进行烧结的SEM照片,其中图1(a)、(b)、(c)的锆钛物质的量比分别为49/49、51/47、54/44。从图1中可以看出,锆钛比发生微小变化,晶粒的尺寸及致密度就有了明显的差别,说明陶瓷的压电性能与晶粒的尺寸及致密度有着密切的联系;另外,小的晶粒耐电场强度低,陶瓷样品的晶粒尺寸如果相差过大,在极化过程中很容易被击穿,严重影响陶瓷的压电性能,而尺寸相近的晶粒耐电场的强度相近,可以承受很大的电场,极化后的压电性能也就更好。 在制备PZT压电陶瓷时,选择合适的锆钛物质的量比至关重要,一般锆钛物质的量比的选择原则为使陶瓷的组成处于三方相和四方相共存的准同相界附近。在准同相界附近,随着锆钛物质的量比的变化,四方相和三方相中一种结构会扩大而另一种结构缩小,这时形成的陶瓷压电性能最好,如果组成偏离了相界,PZT压电陶瓷的性能将会降低。因此研究PZT合适的锆钛比,可以在一定范围内改善压电性能,并为进一步优化工艺、研发新的高性能的PZT陶瓷材料做好准备。 1.2 pzt陶瓷和变价离子添加剂 改变锆钛比可以改变压电陶瓷材料的最终性能参数,但仅仅依靠锆钛比的变化是不可能满足人们对压电材料的所有性能要求的,而添加一些杂质元素却可以在很大范围内改变材料的性能。研究人员对PZT陶瓷进行了广泛的掺杂改性研究,通过在PZT压电陶瓷材料中加入添加剂对材料进行改性,以满足不同的性能要求。 添加剂一般分为软性添加剂、硬性添加剂和变价离子添加剂,添加剂可以加入一种,也可以几种同时加入来对PZT陶瓷材料进行改性。 软性添加剂包括La3+、Bi3+、Nb5+、W6+以及一些稀土元素等,其改性PZT的原理是置换Pb2+或(Zr,Ti)4+等,在PZT晶格中形成一定量的正离子缺位来改变压电性能,离子空位也易引起机械品质因数降低、介电损耗增大。通过软性掺杂的PZT压电陶瓷常用于制备高灵敏度的传感器元件。高峰等研究了钨掺杂对锌铌酸铅-锆钛酸铅(PZN-PZT)压电性能的影响,发现随着钨掺杂量的变化,陶瓷的机电耦合系数Kp、压电常数d33、介电常数ε和介电损耗tanδ有明显的变化(图2),而且当对PZN-PZT陶瓷进行适量的钨掺杂(1.0%)时,陶瓷具有良好的综合性能。 硬性添加剂(如K+、Na+、Mg2+、Fe3+、Al3+等)加入到PZT陶瓷中会在晶格中形成一定量的负离子缺位。通过加入硬性添加剂,PZT压电陶瓷的介电损耗一般会下降,机械品质因数提高,适用于制备高能转化器元件等。龙纪文等研究了掺杂对锰锑锆钛酸铅压电性能的影响,发现随着软性添加剂Nb2O5加入量的增加,锰锑锆钛酸铅陶瓷的d33、-d33、Kp、k31得到了一定程度的优化,Qm却一直在下降;加入硬性添加剂Fe2O3后其压电性能得到了改善。 变价离子添加剂是指含Cr和U等一些离子的氧化物,在PZT固溶体晶格中表现出多种化合价态,通过加入变价离子添加剂,PZT陶瓷材料的老化速度降低,温度稳定性提高但介质损耗系数增大。因此,为了满足实际应用中的某种需要,可以通过改变化