PNN—PZT壓電材料的性能研究

陳延東

【摘 要】研究了PNN-PZT壓電陶瓷的制備情況與性能表征。PNN-PZT陶瓷的鐵電性與壓電性得到證實。使用TF Analyzer 2000測量極化強度與電場之間的關系，結果表明PNN-PZT材料有典型的鐵電性。采用傳統的固相合成工藝，組分中多加 1%PbO，可防止焦綠石相產生。它能使得壓電陶瓷的壓電常數d33 達到425pC/N，機械品質因數Qm到115，介質損耗也很小。研究了合成溫度、燒結溫度和極化等制備工藝對材料結構和性能的影響。

【關鍵詞】壓電陶瓷；焦綠石相；PNN-PZT；d33

The Performance Analysis of PNN-PZT piezoelectric material

CHEN Yan-dong

（China Helicopter Research and Development Institute，Tianjin 300300，China）

【Abstract】A study on the fabrication and performance analysis of PNN-PZT piezoelectric ceramic is introduced.The ferroelectricity and piezoelectricity of PNN-PZT was confirmed.The polarization versus electric field relationship was measured by TF Analyzer 2000 and the result exhibits the typical ferroelectricity of the PNN-PZT material.Using the traditional solid-state reaction method，1% PbO excess was in order to prevent the formation of pyrochlore phase during sintering.The piezoelectric constant d33 is up to 425 pC/N，and the mechanical quality factor Qm is 115，The dielectric loss is small.The effects of sintering temperature and polarization on the microstructures and properties of the piezoelectric ceramic were investigated.

【Key words】Piezoelectric ceramic；Pyrochlore phase；PNN-PZT；d33

0 引言

智能材料在航空工業中應用的越來越廣泛，它在飛機蒙皮裂紋監測和結構損傷修復上有很好的應用前景。智能材料結構可以用作傳感器與驅動元件，通過收集結構的信息（如裂紋、損傷等），處理后形成控制激勵，改變結構的狀態，從而使結構具有自診斷、自適應、自修復的能力[1]。

鋯鈦酸鉛壓電陶瓷材料（PZT）是目前應用的最廣泛的一種。它具有較高的機電耦合系數，溫度穩定性好等優點，通過添加其他元素還可以制備出多種用途的壓電陶瓷，成型后可直接作為傳感器和驅動器應用[2]。

近年來的研究表明，一些三元系壓電陶瓷材料以其較高的壓電性能成為壓電材料的研究熱點[3～5]。PNN-PZT材料的成分為[Pb（Nb2/3，Ni1/3）O3]0.55-Pb（Zr0.3，Ti0.7）O3]0.45，本文通過PNN-PZT材料的制備和測試分析了制備工藝方法對壓電陶瓷的結構和性能的影響， 最終確定出提高性能的最佳工藝參數。

1 實驗過程

1.1 PNN-PZT粉體的合成

準備PNN-PZT粉末的流程見圖1。原料為PbO（純度：99.7%）， TiO2（99.8%）和ZrO2（98.9%），Nb2O5（99.3%）和NiO（99.83%），重量配比達到[Pb（Nb2/3，Ni1/3）O3]0.55-Pb（Zr0.3，Ti0.7）O3]0.45組分。加水球磨2小時。混合好的漿料在烘箱中烘干，并在密封的電爐中進行預燒結，1050°C保溫2小時。預燒得到的粉末在研缽中碾碎，并進一步加水球磨2小時，以獲得更好的PZT粉末。干燥漿料后，壓碎的粉末用網眼為53微米的篩子去除其中的硬塊。得到粒度分布均勻的粉末。

1.2 樣品制備

粉料經球磨再添加1%粘合劑PVA（polyvinyl alcohol），壓制成Ф15mm×1.2mm的圓片（成型壓力300MPa），緩慢升溫至700℃排膠。試樣在密封于1200℃下燒成并保溫2h，之后經檢驗進行打磨、被銀電極、燒銀（750℃/40min），最后在120℃硅油中極化20min，場強為3000V/mm。

1.3 結構和性能測試

使用阿基米德原理測量樣品的密度；對燒成的樣品進行X射線衍射（XRD）分析；利用掃描電子顯微鏡（SEM）觀察材料的顯微結構；用中國科學院聲學所ZJ22型準靜態d33測量儀測試壓電常數d33；用TF Analyzer 2000鐵電分析系統測量材料的電滯回線。

2 結果與討論

2.1 XRD分析

圖2 表示了PNN-PZT壓電陶瓷粉體的XRD圖。可以看出，預燒得到了鈣鈦礦結構的PNN-PZT固溶體。燒結過程中反應比較充分，產物均勻。

2.2 顯微結構分析

從圖3 中可以看出，壓電片的晶粒大小基本一致，晶粒邊界清晰，局部區域有氣孔，其氣孔率受成型過程中素坯內部氣孔大小和氣孔尺寸分布的影響。壓力提高致密度，使燒結阻力減少，可以獲得高致密度的陶瓷燒結體，提高燒結溫度可以克服晶格中粒子擴散的阻力，對固相擴散機理和有液相摻入的擴散機理的燒結都是有利的。在較高的溫度下，保溫時間不宜過長，以防止晶粒長大，可得到較好的壓電性和鐵電性。

2.3 樣品的性能分析

圖4為燒結溫度對壓電常數d33的影響，隨著燒結溫度的升高壓電常數d33逐漸增大，當燒結溫度繼續增高，超過1200℃時，d33下降。可以看出，在1200℃附近燒結得到的壓電材料性能最好。

圖5為 PNN-PZT 材料密度隨燒結溫度的變化曲線，從圖中可以看出，在1150℃燒結2h時，樣品致密最低，為7.0681g/cm3，在1200℃附近燒結壓電材料最致密，為7.5325g/cm3.

圖6的電滯回線顯示了壓電材料由于d33的影響的典型應變與電場間的關系。

3 結論

1）用固相合成法制備PNN-PZT材料時，控制好組分，防止Pb的揮發，完全可以避免焦綠石相的產生，得到純相的PNN-PZT固溶體。

2）燒結溫度對PNN-PZT壓電陶瓷有較大影響，在1200℃附近燒結得到的壓電材料壓電性能最好，且結構致密。

【參考文獻】

[1]Jinhao Qiu，Junji Tani，Naoki Yamada， and Hirofumi Takahashi.Fabrication of piezoelectric fibers with metal core.

[2]Gael Sebald，Abdelmjid Benayad，and Jinhao Qiu.Electromechanical characterization of[Pb（Nb2/3，Ni1/3）O3]0.55- Pb（Zr0.3，Ti0.7）O3]0.45 fibers with Pt core. JOURNAL OF APPLIED PHYSICS 100，054106，2006.

[3]蔡曉峰.PZN-PNN-PZT 體系壓電陶瓷[J].壓電與聲光，1998年8月第20卷第4期.

[4]沈建興，李傳山，董金美，張雷，武紅霞.緩沖層對PMS-PNN-PZT 壓電厚膜材料性能的影響[J].電子元件與材料，第26卷，第7期.2007年7月.

[5]劉濤，孫清池，左孝杰.組成對PMN-PNN-PZT系壓電陶瓷性能的影響[J].硅酸鹽通報，2003年第2期.

[責任編輯：田吉捷]