低温烧结PZT-PFW-PMN系压电陶瓷电性能的研究

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本文根据大功率多层压电陶瓷变压器对压电陶瓷材料的使用要求,即在较低的烧结温度下具有高的机械品质因数Qm、高的机电耦合系数Kp、高的压电常数d33和低的介质损耗tanδ,从烧结工艺、添加助烧剂和掺杂技术等几个方面对四元系Pb(Fe2/3W1/3)O3-Pb(Mn1/3Nb2/3)O3-PbZrO3-PbTiO3(缩写PFW-PMN-PZT)陶瓷进行了研究,以期满足大功率多层压电变压器的使用。主要内容如下:采用传统固相法制备了PZT-PFW-PMN压电陶瓷。详细地研究了助烧剂Li2CO3、LiSbO3、CuO-PbO、YMnO3和BiFeO3含量变化对陶瓷烧结温度、微观结构及电性能的影响。实验结果表明:当Li2CO3的掺杂量为0.30wt.%时,陶瓷的烧结温度虽然降到了1020℃,但是压电性能却大幅度恶化,其值分别为:d33=413pC/N,Kp=0.55,Qm=882,tanδ=0.0062和Tc=295℃;同样,当LiSbO3的含量为0.10wt.%时,相比Li2CO3的掺杂,虽使烧结温度降低到930℃,但同时压电性能的恶化更为明显,尤其是Qm更低,其值为698。而CuO-PbO虽能保持较好的电性能,其性能分别为:d33=331pC/N,Kp=056,Qm=1724,tanδ=0.0055和εr=1975,但其烧结温度为1120℃,有一点偏高;而YMnO3和BiFeO3的加入使陶瓷的烧结温度从1200℃降到了1020℃,降了180℃之多,使得陶瓷材料具有比较优良的压电性能。当YMnO3含量为0.30wt.%时,能有效的促进固溶体的形成,且陶瓷样品具有比较优良的压电性能,其性能为:d33=341pC/N,Kp=0.57,Qm=1393,tanδ=0.0053和Tc=304℃。另外,当BiFeO3的含量为0.20wt.%时,陶瓷晶粒分布趋于均匀,气孔减少,致密性提高,陶瓷获得较好的显微结构,样品的综合性能要比0.30wt.%YMnO3添加的PFW-PMN-PZT系压电陶瓷性能较优,其性能为:d33=309pC/N,Kp=0.59,Qm=1551,εr=1723,tanδ=0.0056和Tc=308℃。为了进一步降低陶瓷的烧结温度,使其与低含量钯内电极浆料相匹配,降低生产成本,同时能够保持陶瓷良好的压电性能,以满足多层压电陶瓷变压器的工程应用。我们以ZnO为掺杂剂,详细地研究了ZnO含量对四元系PZT-PFW-PMN-0.20wt.%BiFeO3压电陶瓷烧结温度、相结构、显微组织的影响和压电性能的改善。实验结果表明:随着ZnO含量的增加,体系的相结构从四方相转变为菱方相,陶瓷晶粒逐渐长大,陶瓷的d33、Kp和Qm均呈先增加后降低,tanδ呈先下降,随后略有增加。当ZnO的含量为0.10wt.%时,陶瓷体系的烧结温度从1020℃降到950℃,陶瓷致密,同时具有优良的综合性能,分别是:d33=313pC/N,Kp=0.56,Qm=1387,εr=1384,tanδ=0.0053和Tc=295℃。因此,PZT-PFW-PMN-0.20wt.%BiFeO3-0.10wt.%ZnO四元体系有望成为大功率多层压电陶瓷变压器用的候选材料。
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