PZT 壓電陶瓷La摻雜改性研究*

王厚山

(山東工業職業學院 山東 淄博 256414)

前言

隨著電子通訊技術與信息行業的迅速發展，壓電材料作為智能材料的一種，受到越來越多研究工作者的廣泛關注。現在壓電材料常用的有石英、A1N[1～2]、ZnO[3]和PZT[4]等，由于壓電材料能夠根據環境變化自適應實現機械能與電能間的轉換，可集傳感、執行和控制于一體，在生活中具有廣泛應用[5]。壓電材料的應用已經遍及日常生活的每個角落。在壓電陶瓷領域，長期以來都以鋯鈦酸鉛PZT占統治地位[6]。加快其應用速度，使壓電材料的應用開始嶄新的局面。

鋯鈦酸鉛是具有典型鈣鈦礦結構的陶瓷材料，一直是人們關注和研究的熱點，至今仍在壓電陶瓷領域中占有主導地位。而在PZT的摻雜改性方面，稀土摻雜PZT的研究相對較少，筆者主要是研究稀土元素La不同濃度摻雜對PZT壓電陶瓷的影響。

1 實驗

首先，根據化學計量比分別稱量 Pb3O4、ZrO2、TiO2、La2O3四粉料，混合后放入聚乙烯罐中，研磨介質選擇去離子水，氧化鋯作磨球，研磨12 h，取出在100 ℃下烘干。烘干好的干料50目篩分。用2 MPa左右的壓力將料粉制備成大塊后，轉移至剛玉坩堝里，850 ℃下煅燒2 h。然后磨為細粉，再按照上述球磨的方法繼續研磨24 h后，烘干、過篩，獲得熟粉。然后造粒、壓片。接著在相應設計溫度下燒結為陶瓷樣片。

采用德國Bruker公司D8 ADVANCE型 X射線衍射儀對所得樣品，進行了進行X-射線粉末衍射(XRD)物相和結構分析，工作時掃描速度調節到4°/min ，掃描角度范圍為20°～80°。

采用HP4294A精密交流阻抗儀和HP4291B阻抗分析儀，測量樣品在室溫下的電容和介電損耗tanδ，測試溫度為室溫至350 ℃，升溫速率為2 ℃/min，測試頻率為1～10 MHz。

樣品的形貌使用日本日立公司帶有X-ray能量分散光譜(EDS)的S-4800型場發射掃描電鏡，場發射掃描電鏡(SEM)來確定。

2 結果與討論

2.1 燒結溫度對體積收縮率的影響

圖1 燒結溫度對體積收縮率的影響

提高材料的致密性和密度是改善材料性能的關鍵因素。壓電陶瓷的性能與其晶粒大小和密度有關，由于原子的擴散，陶瓷坯體在燒結過程中，會發生體積收縮，從圖1可以看出，樣品密度是先隨著溫度的升高而增大，當燒結溫度為1 200 ℃時，此時樣品的密度達到最大。1at%時6.7 g/cm3，3at%時6.9 g/cm3，5at%時7.27 g/cm3，7at%時7.03 g/cm3，這說明當燒結溫度為1 200 ℃時，樣品的致密性最好。過高的溫度可能會導致樣品的組分發生改變，因此確定優化的燒結溫度為1 200 ℃。之后又隨著溫度的升高逐漸下降，這可能是因為過量液相產生的同時也抑制了大部分晶粒的生長，且燒結溫度上升也會使得PbO揮發，陶瓷內部產生缺陷。

2.2 添加量對陶瓷結構的影響

如圖2所示，在1 200 ℃的燒結溫度下，當添加量為1at%，3at%，5at%，7at%時均得到了鈣鐵礦結構，(200)兩個衍射峰證明了陶瓷內部的四方和三方兩相共存。根據研究結果表明：陶瓷在兩相共存處即準同型相界附近具有較優的性能。從圖中也可以看出，隨著La添加量的增大，陶瓷的晶體結構沒有發生明顯變化，La的加入并未引起晶格崎變。

圖2 四個樣品的XRD圖譜

2.3 對PZT陶瓷微觀形貌的影響

圖3 添加量不同的條件下的SEM圖

圖3是摻雜La的PZT陶瓷的微觀形貌圖，從圖3可以看出，摻雜后得到的材料孔洞很少，均勻致密，而且隨著摻雜含量的增加，顆粒變得越來越小，說明La摻入PZT陶瓷可以具有細化晶粒的作用。

2.4 PLZT 的電性能分析

圖4 添加量不同的條件下的介電常數和介電損耗圖

如圖4所示，可以看到，隨著壓電陶瓷中鑭的含量增加，介電常數先是快速增大，然后再減小，當鑭含量是5at%時達到峰值。當材料中鑭的含量由 1at%提高至5at%時，樣品的介電損耗呈增加趨勢，5at%時，達到峰值，隨后樣品的介電損耗又呈下降趨勢。

這是因為，當鑭含量增加時，形成樣品的晶粒尺寸也會隨之增加，但由于MBP相界組分是一個復雜的相界。當樣品中鑭的含量達到 5at%以上時，樣品內部過剩的三價鑭離子，和別的離子生成一種新的非鐵電相，這個現象導致如圖4所示的下降趨勢。

3 結論

筆者討論了PZT系列鐵電陶瓷材料中鑭的摻雜含量對其電性能的影響關系，結論如下：

1)根據XRD檢測結果可知， 本研究成功制備了純度較高的Pb(Zr0.55Ti0.45)O3鐵電陶瓷。

2)在保溫時間是2 h的條件下，比較了不同的燒結溫度對其密度的影響，研究最終確定1 200 ℃下，保溫2 h的燒結條件為較優的操作條件。

3)在溫度為1 200 ℃下，燒結時間為2 h下進行燒結，鑭含量為5at%的PZT就有最大的密度。

4)當壓電陶瓷中鑭的含量由1at%提高至7at%時，介電常數和介電損耗先是增大后降低，鑭含量5at%時達到峰值。