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Fe~(3+)掺杂PMN-PZT三元系压电陶瓷性能及优化工艺的研究

作　者: 余方云
导　师: 孙清池
学　校: 天津大学
专　业: 材料工程
关键词: PMN-PZT Fe2O3 压电陶瓷 掺杂方式 Zr/Ti 合成方式
分类号: TM282
类　型: 硕士论文
年　份: 2012年
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内容摘要


纯PMN-PZT压电陶瓷介电损耗较大,大约在3%,居里温度较低,限制了它的应用。为解决此问题,本文探究Fe2O3掺杂及掺杂方式对0.2PMN-0.8PZT压电、介电、机电、损耗、居里温度等的影响,用SEM、XRD分析手段研究其微观组成变化。结果表明,0.2PMN-0.8PZT烧结温度范围较宽,约100℃。少量的掺杂如0-1.0wt% Fe2O3使压电系数d33,介电损耗tg随着掺杂量的增加而下降,机械品质因数Qm升高,说明Fe2O3表现的是一个硬性掺杂的特点,即Fe3+进入晶格取代Zr4+或Ti4+。掺杂会导致居里温度升高及促进三方相向四方相转变。最佳掺杂量约1.5wt%Fe2O3,在此点有硬性和软性掺杂的特点。同时性能数据及SEM表明Fe2O3有助烧的作用,使介电损耗降低0.015,常温介电常数升高。不同Fe2O3的掺杂方式对PMN-PZT性能影响基本一致,各有优缺点。当Zr/Ti为51/49时,0.2PMN-0.8PZT+1.5wt%Fe2O3正好处于MPB处,在此处,陶瓷性能总体达到最好,在1210℃烧结温度下,d33=253 pC/N,kp=0.514, ? T33 ?0=1975,tgδ=0.009,居里温度Tc约为281℃。基于0.2PMN-0.8PZT性能较差,研究了合成方法、温度、组分等对PMN-PZT性能的影响。结果表明,在本实验室条件下,一步法比二步法制得的陶瓷性能更佳,两种二步法中,先完全合成MgNb2O6,再加入ZrO2,TiO2,Pb3O4合成PMN-PZT较之在合成MgNb2O6,加入ZrO2,TiO2,最后再加入Pb3O4合成PMN-PZT好。且两种二步法中,第二步850℃合成PMN-PZT比900℃合成性能好。一步法合成中,850℃预合成的试样比900℃合成试样在同等烧结温度下压电性能好,且0.25PMN-0.75PZT试样的压电介电性能高于0.2PMN-0.8PZT。

全文目录


摘要  3-4
ABSTRACT  4-8
第一章 绪论  8-25
  1.1 压电陶瓷概述  8-12
    1.1.1 压电效应及其产生机理  8-9
    1.1.2 压电陶瓷的几个重要的性能指标  9-12
  1.2 铁电性与铁电体  12-23
    1.2.1 铁电性与铁电体概述  12
    1.2.2 铅基弛豫铁电材料  12-15
    1.2.3 PMN-PZT 驰豫铁电材料研究进展  15-16
    1.2.4 PMN-PZT 掺杂改性研究进展  16-21
    1.2.5 Fe_2O_3 掺杂压电陶瓷改性研究进展  21-23
  1.3 本课题的提出、目的及意义  23
  1.4 本课题的研究内容  23-25
第二章 实验方法及测试手段  25-30
  2.1 实验原料及仪器设备  25-26
  2.2 实验工艺  26-27
  2.3 性能表征手段及仪器装置  27-30
    2.3.1 相对介电常数(?)及介电损耗tanδ  27
    2.3.2 压电系数d33  27
    2.3.3 机电耦合系数kp  27-28
    2.3.4 显微结构及物相分析  28
    2.3.5 居里温度Tc  28-30
第三章 结果与讨论  30-54
  3.1 Fe_2O_3 掺杂对PMN-PZT 性能的影响  30-37
    3.1.1 配方的选择  30
    3.1.2 Fe_2O_3 掺杂对PMN-PZT 陶瓷压电介电性能的影响  30-34
    3.1.3 Fe_2O_3 掺杂对0.2PMN-0.8PZT 居里温度的影响  34-35
    3.1.4 显微形貌分析(SEM)  35-36
    3.1.5 XRD 物相分析  36-37
    3.1.6 本节小结  37
  3.2 Fe_2O_3 不同掺杂方式对PMN-PZT 陶瓷压电介电机电性能的影响  37-41
    3.2.1 Fe_2O_3 参与合成掺杂的介电压电性能  38-40
    3.2.2 XRD 物相分析  40
    3.2.3 本节小结  40-41
  3.3 不同Zr/Ti 比含量对陶瓷压电介电性能的影响  41-45
    3.3.1 不同Zr/Ti 的压电介电及机电性能  42-44
    3.3.2 不同Zr/Ti 样品的居里温度  44-45
    3.3.3 小结  45
  3.4 一步法及二步法对PMN-PZT 陶瓷压电性能的影响  45-50
    3.4.1 0.2PMN-0.8PZT 的物相分析  45-46
    3.4.2 焦绿石相形成过程、影响  46-47
    3.4.3 实验配方及工艺  47-48
    3.4.4 压电介电机电性能及SEM 分析  48-50
    3.4.5 小结  50
  3.5 PMN 含量、Pb_3O_4 含量、合成温度对PMN-PZT 陶瓷性能影响  50-54
    3.5.1 配方选择  50-51
    3.5.2 压电介电机电性能  51-53
    3.5.3 小节  53-54
第四章 结论  54-56
参考文献  56-61
发表论文和参加科研情况说明  61-62
致谢  62

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中图分类: > 工业技术 > 电工技术 > 电工材料 > 电工陶瓷材料 > 压电陶瓷材料
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