鋯鈦比和燒結溫度對PMS-PZT壓電陶瓷性能的影響

劉長流 張珍宣 張元松 賴煒 張玉芬

摘 要：本文采用傳統固相燒結法制備Pb0.995Sr0.005（ZrxTi1-x）0.96（Sb2/3Mn1/3）0.04O3壓電陶瓷，研究了鋯鈦比和燒結溫度對該體系的壓電陶瓷性能的影響，并測試其居里溫度。結果表明：陶瓷的壓電性能隨Zr/Ti減小先升高后下降，當Zr/Ti為50.5/49.5時，該體系的壓電性能取得最大值;壓電陶瓷的壓電性能隨燒結溫度增加先升高然后下降，在1200℃燒結溫度下，當Zr/Ti=50.5/49.5時，獲得最優的綜合性能，此時εT33/ε0=1628，tanδ=0.45%，Kp=0.73，d33=409pC/N，Qm=700;在所研究的組成范圍內，隨著 Zr/Ti 的減小，介電常數溫度圖譜峰值向高溫移動，當Zr/Ti=50.5/49.5時，介電峰值對應的居里溫度為325℃。

關鍵詞：壓電陶瓷;鋯鈦比;燒結溫度;壓電介電性能;居里溫度

1 前 言

近年來，隨著經濟社會的發展，壓電陶瓷霧化片因具有體積小、重量輕、無觸點、無噪音、功耗低、高可靠、長壽命、可以適應惡劣的工作環境等特點，逐漸被廣泛應用于環境工程、醫療器械以及家用電器等領域。壓電陶瓷超聲霧化片用材料屬于大功率硬性壓電陶瓷材料。對這種材料的要求是[1]：高壓電常數，高機電耦合系數 Kp，低介質損耗和高的機械品質因數，較高的機械強度以及耐疲勞等特點;結合上述特點并通過查閱相關的文獻資料[2-4]，本實驗選用銻錳-鋯鈦酸鉛體系為研究對象，試驗了不同鋯鈦比和燒結溫度對壓電陶瓷性能的影響，以期獲得性能優良的適合制備超聲霧化片的大功率壓電陶瓷材料。

2 試 驗

2.1 試驗材料

試驗中所選用的原料為Pb3O4、TiO2、ZrO2、 SrCO3、MnO2、Sb2O3。本試驗以Pb0.995Sr0.005（ZrxTi1-x）0.96（Sb2/3Mn1/3）0.04O3為研究對象，其中 0.495

2.2 制備工藝

試樣采用普通壓電陶瓷工藝制備。將氧化物粉料按化學計量比稱量，按氧化鋯球：原料：去離子水的重量比依次為2：1：0.7混合，以480 r/min行星球磨機球磨4 h。干燥后過篩，在氧化鋁坩堝中980℃預燒，保溫2 h。合成后的粉末按氧化鋯球：原料：去離子水的重量比為2：1：0.6依次混合，以480 r/min行星球磨機球磨6 h。烘干過篩后的瓷料添加質量分數5%石蠟混合均勻，20? MPa下預壓，然后破碎過60目篩。150 MPa下加壓成型，制成Φ11.5 mm×1.0 mm的坯件，以1℃/min升溫至800℃下保溫1 h進行排塑，在1140 ～ l220℃燒結，保溫2 h，燒好的陶瓷片經清洗后被覆銀電極，燒銀溫度 800℃，最后在 110 ～ 120℃的硅油中極化30 min，極化場強為 3.5 ～ 4 KV/mm，極化好的樣品靜置24 h后測量。

2.3 樣品測試

采用頻率阻抗分析儀4194A測量諧振頻率、反諧振頻率以及相應的等效阻抗，通過計算求出機電耦合系數Kp和機械品質因數Qm。采用中科院聲學所研制的ZJ-3AN型準靜態d33測量儀測試壓電常數d33;電容 C和介質損耗tanδ采用 TH2617型測量儀，由電容計算出相對介電常數 εT33/ε0。采用εr-T曲線方法測試各組成的居里溫度。

3 結果與討論

3.1 Zr/Ti對銻錳鋯鈦酸鉛壓電性能的影響

一般在室溫狀態下，鈣鈦礦型鐵電陶瓷的組成主要有兩種相結構，分別是四方鐵電相（FT）和三方鐵電相（FR）。對于鋯鈦酸鉛壓電陶瓷來說，隨著Zr/Ti 含量的變化，兩相結構之間發生轉變，兩相比例也會隨之變化[5-8]，從而導致壓電陶瓷的壓電、介電性能也發生顯著變化。因此，研究不同Zr/Ti 對壓電陶瓷壓電介電性能的影響非常重要。本文以Pb0.995Sr0.005（ZrxTi1-x）0.96（Sb2/3Mn1/3）0.04O3為研究對象，試驗了Zr/Ti 為51.5/48.5、51/49、50.5/49.5、50/50、49.5/50.5時，銻錳鋯鈦酸鉛壓電陶瓷的壓電介電性能。試驗預燒溫度為980℃，保溫時間為2 h，燒結溫度為1200℃，保溫時間為2 h。

圖 1、圖 2和圖 3給出了壓電陶瓷樣品的性能參數隨鋯鈦比變化的關系。從圖中可以看出，隨鋯鈦比的減小，試樣的相對介電常數εT33/ε0、機電耦合系數Kp和壓電常數d33先增加后下降，各性能參數均出現一最大值，其中介電常數、機械品質因數Qm及機電耦合系數Kp均在 50.5/49.5 處取得最大值。這表明在 50.5/49.5 附近，材料的結構處于三方-四方共存的狀態，并處于準同型相界附近。而介質損耗隨著鋯鈦比的減小而減小，這是由于隨著鋯鈦比的減小，試樣的組成由三方相向四方相轉變，三方相結構的活動性較四方相大，且更易極化，從而導致介質損耗隨鋯鈦比的減小而減小。機械品質因數Qm隨著鋯鈦比的減小先減小后增加然后再下降，這與一般鋯鈦酸鉛壓電陶瓷的變化在準同型相界附近出現最小值的規律不同，在本實驗中，Qm值在相界附近取得極大值，這可能是因為摻雜 Mn2+作用的影響。Mn2+進入到晶格結構中將產生氧空位，引起晶胞收縮歪曲，抑制電疇的轉向，起到硬性添加劑的作用，從而減小電疇運動的內摩擦，增大Qm值。

在準同型相界附近，材料表現出優良的壓電性能，其原因有兩點[9-11]：第一，在相界處，微觀組織結構中的空位及缺陷較多，在外電場作用下，電疇易于轉向。第二，在相界處，四方菱方兩種晶體結構的能量很接近，并且在外界條件變化時，則發生一種結構的擴大，另一種結構的縮小，正是這種結構的活躍性使得相界附近組成的陶瓷具有壓電性能的極大值。