PSbN-PZN-PZT四元系高介电常数压电陶瓷材料研究

Bi2O3-ZnO-Nb2O5系陶瓷介电常数及温度系数的优化任庆利
【期刊名称】《西安交通大学学报》
【年(卷),期】2000(034)008
【摘要】研究了Bi2O3-ZnO-Nb2O5(BZN)系复相区陶瓷介电常数的温度稳定性及其温度系数的优化.讨论了不同的预烧工艺以及掺杂不同晶型的TiO2对所得BZN系陶瓷的相组成以及介电性能的影响.结果表明,预烧工艺中合理的预烧升温速率的选择,对其介电常数的温度稳定性有决定性影响,锐钛型TiO2的掺杂可优化温度系数,得到介电性能优异的脚陶瓷.
【总页数】5页(P65-69)
【作者】任庆利
【作者单位】西安交通大学,710049,西安
【正文语种】中文
【中图分类】TM28
【相关文献】
1.温度系数系列化的低介电常数陶瓷材料 [J], 梁晓峰;吴志华
2.PSbN-PZN-PZT四元系高介电常数压电陶瓷材料研究 [J], 吴康和;王学杰
3.TiO_2掺杂对BZN系陶瓷相组成及温度系数影响 [J], 任庆利;汪宏
4.添加表面活性剂对Bi_2O_3-ZnO-Nb_2O_5系陶瓷温度系数的影响 [J], 任庆利;罗强;陈寿田;吴洪才
5.BaO-Ln_2O_3-TiO_2系高介电常数微波介质陶瓷的研究进展 [J], 高旭芳;丘泰
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文章编号:100023851(2002)0320070205收稿日期:2001210217;收修改稿日期:2001211223基金项目:国家自然科学基金资助项目(50072001)作者介绍:李小兵(1974),男,博士,主要从事压电复合材料方面的研究。

田　莳(1938),男,教授,主要从事压电复合材料研究。

PZN -PZT 压电陶瓷及其PV D F 压电复合材料的制备和性能李小兵,田　莳,李宏波(北京航空航天大学材料科学与工程学院,北京100083)摘　要:　采用固相烧结法合成了PZ N 2PZT (铌锌锆钛酸铅)三元系压电陶瓷烧结块材和粉末,并采用XRD 、SE M 等测试方法对其结构和性能进行了分析。

PZ N 2PZT 常压烧结陶瓷具有优良的压电性能,PZ N 2PZT 颗粒粒径在0.5～4Λm 之间,颗粒形态不太规整。

采用溶液共混法将PZ N 2PZT 粒子均匀分散于PVD F 基体中,制备了PZ N 2PZT PVD F 023型压电复合材料。

研究了PZ N 2PZT 质量分数、极化电场等因素对该压电复合材料压电和介电性能的影响。

实验结果表明,选用压电活性更高的压电陶瓷粉末进行复合,可有效提高压电复合材料的压电性能。

增加PZ N 2PZT 质量分数、提高极化电压均有利于复合材料压电性能的提高。

关键词:　PZ N 2PZT ;固相烧结法;压电复合材料;溶液共混法中图分类号:　TB 39 文献标识码:APREPARATI ON AND PR OPERTI ES OF PZN -PZT P I EZ OE L ECTR I C CERA M I CSAND PZN -PZT PV D F P I EZ OE L ECTR I C COM POSI TESL I X iao 2bing ,T I A N Sh i ,L I Hong 2bo(School of M aterials Science and Engineering ,Beijing U niversity of A eronautics and A stronautics ,Beijing 100083,Ch ina )Abstract :　T ernary syste m p iezoelectric cera m ic m aterials PZ N 2PZT [Pb 0.955L a 0.03(Zn 13N b 2 3)0.3Zr 0.37T i 0.33O 3]and their pow dersw ere fabricated using s olid state sintered technol ogy .T heir structure and p roperties w ere studied by XRD and SE M .PZ N 2PZT cera m ics synthesized by the traditi onal sin 2tered m ethod contain w ell p iezoelectric p roperties.T he dia m eters of PZ N 2PZT pow ders are betw een 0.5～4Λm ,and the shape is irregular .PZ N 2PZT particles w ere incorporated into PVD F polym er m a 2trix homogeneously th rough s oluti on blended p rocess to fo r m PZ N 2PZT PVD F 023composite th in fil m s.T he effects of the cera m ic m ass fracti on and po ling electric field on the p iezoelectric and dielec 2tric p roperties of the p iezoelectric composites w ere studied .T he results show that the p iezoelectric p roperties of the composites could be i m p roved effectively th rough choosing the cera m ics containing better p iezoelectric p roperties as the filler .T he sa m e effects can be m ade w ith the increasing of PZ N 2PZT m ass fracti on and poling field .Key words :　PZ N 2PZT ;s o lid state sin tered technol ogy ;p iezoelectric composites ;s oluti on blended p rocess 将具有强压电效应的压电陶瓷与柔性良好的压电聚合物按一定的连通方式、一定的体积或质量比例、一定的空间几何分布进行复合,可以使两种材料优势互补,获得既具有较强压电性又具有良好韧性的综合性能优异的压电复合材料。

PZN-PZT三元系压电陶瓷的性能和掺杂改性研究的开题报告一、研究背景压电陶瓷是一种具有优良电学、机械学和热学性能的材料，广泛应用于声波传感器、换能器、超声波医学成像、马达、精密定位等领域。

其中，Pb（Zr0.52Ti0.48）O3（PZT）是一种典型的铁电压电陶瓷材料，具有高的压电常数、介电常数和电机械耦合系数。

然而，由于其含有铅元素，受到环境保护和生物安全等因素的限制，因此需要进行合适的改性。

PZN-PZT三元系压电陶瓷材料采用掺杂改性的方法，能够减少PZT中铅元素的含量，同时具有良好的压电性能。

近年来，该材料在声波探测、可控压电过滤器、微功率传感器、无线电传感器等领域中得到了广泛的应用。

本项目旨在通过对PZN-PZT三元系压电陶瓷的掺杂改性研究，探索其在压电领域的应用潜力，并进一步提升其性能和应用价值。

二、研究内容1. PZN-PZT三元系压电陶瓷的化学成分和结构特征的研究。

2. 掺杂剂选择和其对PZN-PZT三元系压电陶瓷材料性能的影响研究。

3. 采用固相反应法合成PZN-PZT三元系压电陶瓷材料。

4. 对所获得的材料进行物理性能测试，包括压电常数、介电常数、电阻率等。

5. 分析掺杂改性对PZN-PZT三元系压电陶瓷材料中微观结构和性能的改变。

三、研究意义1. 在环境保护和生物安全方面具有重要意义。

2. 提高PZN-PZT三元系压电陶瓷材料的性能，拓宽其应用领域。

3. 为实现低成本、高效率的制备提供理论基础和实验依据。

四、研究方法及技术路线1. 首先进行相关文献综述，确定PZN-PZT三元系压电陶瓷的化学成分和结构特征等基本性质。

2. 筛选合适的掺杂剂，并确定其用量和掺杂方式。

3. 采用固相反应法制备PZN-PZT三元系压电陶瓷材料。

4. 对所获得的材料进行物理性能测试，包括压电常数、介电常数、电阻率等。

5. 通过扫描电子显微镜、X射线衍射仪等分析测试仪器，对所得材料进行微观结构和性能分析。

Science &Technology Vision科技视界0引言智能材料在航空工业中应用的越来越广泛,它在飞机蒙皮裂纹监测和结构损伤修复上有很好的应用前景。

智能材料结构可以用作传感器与驱动元件,通过收集结构的信息(如裂纹、损伤等),处理后形成控制激励,改变结构的状态,从而使结构具有自诊断、自适应、自修复的能力[1]。

锆钛酸铅压电陶瓷材料(PZT)是目前应用的最广泛的一种。

它具有较高的机电耦合系数,温度稳定性好等优点,通过添加其他元素还可以制备出多种用途的压电陶瓷,成型后可直接作为传感器和驱动器应用[2]。

近年来的研究表明,一些三元系压电陶瓷材料以其较高的压电性能成为压电材料的研究热点[3~5]。

PNN-PZT 材料的成分为[Pb(Nb 2/3,Ni 1/3)O 3]0.55-Pb (Zr 0.3,Ti 0.7)O 3]0.45,本文通过PNN-PZT 材料的制备和测试分析了制备工艺方法对压电陶瓷的结构和性能的影响,最终确定出提高性能的最佳工艺参数。

1实验过程1.1PNN-PZT 粉体的合成图1PNN-PZT 粉末的准备准备PNN-PZT 粉末的流程见图1。

原料为PbO(纯度:99.7%),TiO 2(99.8%)和ZrO 2(98.9%),Nb 2O 5(99.3%)和NiO(99.83%),重量配比达到[Pb (Nb 2/3,Ni 1/3)O 3]0.55-Pb(Zr 0.3,Ti 0.7)O 3]0.45组分。

加水球磨2小时。

混合好的浆料在烘箱中烘干,并在密封的电炉中进行预烧结,1050°C 保温2小时。

预烧得到的粉末在研钵中碾碎,并进一步加水球磨2小时,以获得更好的PZT 粉末。

干燥浆料后,压碎的粉末用网眼为53微米的筛子去除其中的硬块。

得到粒度分布均匀的粉末。

1.2样品制备粉料经球磨再添加1%粘合剂PVA(polyvinyl alcohol),压制成Ф15mm×1.2mm 的圆片(成型压力300MPa),缓慢升温至700℃排胶。

pzt-4压电陶瓷电学参数
PZT-4是一种常见的压电陶瓷材料，具有优良的压电性能和电
学参数。

关于PZT-4的电学参数，我们可以从多个方面来进行全面
的回答。

首先，PZT-4的介电常数通常在1000至1500之间，这意味着
它在外加电场下的极化能力非常强。

这也使得PZT-4成为一种优秀
的压电材料，可用于传感器、换能器和压电马达等应用。

其次，PZT-4的压电常数通常在600至750之间，这表明它对
于机械应力的响应非常敏感。

这使得PZT-4在压电传感器和执行器
方面有着广泛的应用，例如压力传感器、声波发生器等。

此外，PZT-4的电机械耦合系数通常在0.6至0.7之间，这意
味着它能够高效地将电能转换为机械能，或者将机械能转换为电能，因此在压电换能器和压电马达中有着重要的应用。

另外，PZT-4的电阻率通常在10^9至10^11Ω·cm之间，这使
得它在一些特定的电学应用中能够表现出良好的绝缘性能。

总的来说，PZT-4作为一种压电陶瓷材料，具有较高的介电常数、压电常数和电机械耦合系数，以及较高的电阻率，这些优秀的电学参数使得它在压电传感器、换能器、压电马达等领域有着广泛的应用前景。

希望这些信息能够对你有所帮助。

陶瓷粉体粒度对ＰＺＮ－ＰＺＴ／ＰＶＤＦ压电复合材料性能的影响作者：徐合冯兰平谌小奇来源：《佛山陶瓷》2008年第03期摘要将铌锌锆钛酸铅(PZN-PZT)压电陶瓷粉体分散于聚偏二氟乙烯(PVDF)基体中，制备出0-3型PZN-PZT/PVDF压电复合材料。

文中研究了PZN-PZT陶瓷不同粒度对复合材料的压电性、介电性、铁电性的影响。

结果表明，当陶瓷粒度为100～150目时，压电复合材料的综合性能最佳，压电常数d33达到23.10pC/N，剩余极化强度Pr达到5.13μC·cm-2，矫顽场Ec为45.71kV·cm-1，介电常数εr为192.86，介电损耗tanδ为0.10。

关键词PZN-PZT，PVDF，复合材料，粒度，压电性能1引言压电材料能够适应环境的变化，实现机械能和电能之间的相互转化，具有集传感、执行和控制于一体的特有属性，是智能材料系统的主导材料[1]。

将压电陶瓷与压电聚合物按一定的连通方式复合，克服了压电陶瓷材料自身的脆性和压电聚合物材料的温度限制，可制得既有较强压电性又有良好机械应用性能的压电复合材料[2～3]。

0-3型压电复合材料是指压电陶瓷粉体分散于三维连续的聚合物基体中形成的复合材料[4～6]，它的制备过程简单经济，在工业化生产中具有广阔的前景。

PZN-PZT陶瓷是0-3型压电复合材料的主要功能相，它以颗粒状分散在PVDF聚合物基体中。

对于陶瓷粉体，即使其组成完全一致，其形状和尺寸的差异也能引起复合材料性能的差异。

因此，有必要在陶瓷颗粒粒度对复合材料性能的影响方面进行研究。

2实验过程2.1 压电复合材料的制备按质量比85:15制备PZN-PZT/PVDF，将自制的压电陶瓷粉体和PVDF粉体混合后压制成直径为20mm、厚度为1～2mm的薄片，在平板硫化机上于温度180℃下热压10min，得到压电复合材料。

将样品进行镀电极处理，干燥后放入已加热的硅油中进行极化。

功能陶瓷材料的调研报告摘要:功能陶瓷由于其在电、磁、声、光、热、力等方面优异的性能,广泛应用于电子电力、汽车、计算机、通讯等领域,。

在科学技术发展和实际生产生活中发挥着越来越重要的作用。

主要阐述了功能陶瓷电学、光学、磁学、声学、力学等基本性质,并介绍了功能陶瓷的种类和应用以及未来发展趋势。

基于过渡液相烧结机制的高性能压电陶瓷材料具有低烧结温度、高压电常数和低介质损耗等诸多优点。

低烧多层压电变压器(MPT)以其低驭动电压、小体积、高升压比、薄型片式化等优点在液晶显示背光电源等方面获得应用。

关键词:功能陶瓷;性质;应用功能陶瓷材料是电子材料中最重要的一个分支,其产值约占整个新型陶瓷产业产值的70 %。

随着现代新技术的发展,功能陶瓷及其应用正向着高可靠、微型化、薄膜化、精细化、多功能、智能化、集成化、高性能、高功能和复合结构方向发展。

功能陶瓷与传统的陶瓷相比在原料及工艺等方面有很大的区别,是知识和技术密集型产品。

功能材料之所以具有卓越的功能及特性,不仅与材料的化学组成有关,而且很大程度上决定于其微观结构。

功能材料的开发首先依赖于新材料的发现和人工合成。

在功能陶瓷材料重大发现中，人们先后发现了氧化物导体、固体电解质、压电、非线性光学材料、铁氧体、记忆材料、太阳能电池、高温氧化物超导体等。

随着电子产品向轻薄短小、多功能、高可靠性和高密度表面、高集成化的发展功能材料也有着不断的发展。

功能陶瓷的品种繁多,这类材料具有微波介电性能、气敏性能、超导性能、电阻梯度性能、铁电性能及其相变行为、多层驱动性、弛豫性能等多种优良的功能,应用十分广泛。

功能陶瓷及其新型电子元器件对信息产业的发展和综合国力的增强具有重要的战略意义。

电子信息技术的集成化和微型化的发展趋势，推动电子技术产品日益向微型、轻量、薄型、多功能的方向发展。

功能陶瓷元器件多层化、片式化、集成化、模块化和多功能化以及高性能低成本是其发展的总趋势。

1、功能陶瓷材料分类1.1导电陶瓷具有良好的导电性能,而且能耐高温,是磁流体发电装置中集电极的关键材料。

pzt压电陶瓷晶体结构
摘要：
1.PZT压电陶瓷简介
2.PZT压电陶瓷的晶体结构
3.PZT压电陶瓷的性能与应用
4.我国在PZT压电陶瓷领域的研究进展
正文：
一、PZT压电陶瓷简介
PZT（lead zirconate titanate，铅锌钛酸盐）压电陶瓷是一种具有优良压电性能的陶瓷材料。

在自然界中，PZT矿物稀少，因此，科学家们通过研究和合成，成功制备出了具有高精度、高性能的PZT压电陶瓷。

二、PZT压电陶瓷的晶体结构
PZT压电陶瓷的晶体结构属于四方对称结构，其化学式为PbZrO3-PbTiO3。

在这种结构中，钛酸铅（PbTiO3）和锆酸铅（PbZrO3）以固溶体的形式存在，共同赋予了PZT压电陶瓷优异的性能。

三、PZT压电陶瓷的性能与应用
1.压电性能：PZT压电陶瓷具有较高的压电常数、较低的介电常数和良好的疲劳稳定性，使其在声学、振动和能量转换等领域具有广泛的应用。

2.铁电性能：PZT压电陶瓷具有较高的铁电储能密度，使其在电磁屏蔽、存储器和传感器等领域具有重要应用。

3.机电转换性能：PZT压电陶瓷具有良好的机电转换效率，广泛应用于超
声波换能器、马达、致动器和机器人等领域。

4.我国在PZT压电陶瓷领域的研究进展：近年来，我国在PZT压电陶瓷材料的研究取得了显著成果，包括制备工艺的优化、性能的提高和新材料的研发。

这些成果为我国在压电陶瓷领域的创新发展奠定了基础。

综上所述，PZT压电陶瓷作为一种高性能的陶瓷材料，在多个领域具有广泛的应用。

张静,江平,王安玖,张元松,官瑶,褚涛（贵州振华红云电子有限公司，贵州贵阳550025）PZT压电陶瓷材料制备的基础上，总结出生产掺杂PZT材料的最佳掺杂条件，以及配方对压电陶瓷性能的影响，只要工艺合适，性能完全能再提高，对压电陶瓷材料的发展趋势进行了展望。

压电陶瓷；掺杂改性；取代1引言压电陶瓷作为功能陶瓷的重要组成部分，在19世纪80年代，居里兄弟发现压电效应后，得到了踊跃的研究及迅速的发展。

目前具有压电效应的研究主要在三个方面：压电陶瓷、压电高分子、压电晶体，压电性能最好的是压电陶瓷。

压电陶瓷作为一种重要的力-电敏感性强的功能材料，已经在传感器、超声换能器、微位移器和其它电子元器件等方面得到了广泛的应用。

并且因其低成本、高压电转换的优点，随着加工工艺的进步及优化，它在航空航天、电子、信息等高科技方面有着很高的研究及应用价值[1]。

空位浓度对压电陶瓷的制备工艺及性能均有较大的影响。

上个世纪50年代，PZT压电陶瓷的诞生伊始，研究人员通过各种改性方法对其性能进行提高，其中离子掺杂是最直接和最有效的提高手段。

本文针对掺杂PZT及PZT基多元系陶瓷的研究现状及进展进行详细的概述，并对其研究及发展趋势进行大胆的预测。

2二元系PZT压电陶瓷掺杂改性研究PZT压电陶瓷是典型的多晶体，换句话说，当陶瓷未被极化时，陶瓷内部存在许多方向各异的电畴。

在极化过程中，外加电场作用下，晶体内各个电畴均要发生转向，但电畴的转向会使陶瓷内部产生内应力，所以从张静(1990),女,硕士研究生,从事功能材料与智能材料的。

贵州省科技计划项目(20192159018423206)。

热力学角度考虑，陶瓷内部电畴转向相当困难。

图1为钙钛矿型晶体的结构。

许多研究都是通过取代改性、加入多组元使晶格发生畸变，从而晶粒容易转向。

通常掺杂根据位置的不同可分为A 位、B 位掺杂[2]。

Pb 在加热的过程中在900℃会挥发。

众所周知，重金属铅及其化合物可由蒸气或粉尘进入呼吸道，对人体及其各个组织带来不良的影响。

PZT压电陶瓷国内外发展现状及趋势摘要：PZT压电陶瓷是目前最有效地实现机械能与电能的转换的陶瓷，所以在现代工业上有着广泛的应用。

本文对压电陶瓷的发展现状及制作流程进行了介绍，以及对复合、无铅压电陶瓷发展趋势作出简要的预测。

关键词：压电陶瓷，发展状况，制作流程，趋势，复合材料，无铅前言压电陶瓷作为功能陶瓷的重要组成部分，在19世纪80年代，居里兄弟发现压电效应后，得到了迅速的研究及发展。

目前具有压电效应的研究在三个方面：压电陶瓷、压电高分子、压电晶体，最具有压电效应的是压电陶瓷。

压电陶瓷作为一种重要的力、热、电、光敏感性强的功能材料，已经在传感器、超声换能器、微位移器和其它电子元器件等方面得到了广泛的应用。

并且因其低成本、高压电转换的优点，随着加工工艺的进步及优化，它在航空航天、电子、信息等高科技方面有着很高的研究及应用价值。

1、压电陶瓷的基本原理及概念压电效应，顾名思义是压电陶瓷所特有的性质，在某些电介质上加载负荷后，使其电荷产生极化现象，在其表面正负电荷分离；当去除外力后，极化现象不消失，称为正压电效应；相反，当在电介质的极化方向上施加电场，电介质也会发生变形，电场去掉后，电介质的变形随之消失，这种现象称为逆压电效应，或称为电致伸缩现象。

晶体构造上不存在对称中心是产生压电效应的必要条件。

当没有外力作用时晶体的正反电荷中心重合，晶体对外不显极化，单位体积中的电偶极矩为零，因而表面净电荷为零。

但是当晶体沿某一方向加载机械力时，晶体发生形变时，正负电荷中心分离，晶体就对外呈现极化。

对于有对称中心的电介质无论有无外力作用都不可能发生压电效应。

在压电陶瓷中，综合性能最好的为1954年美国贾菲等人发现的PbZrO3—PbTiO3(PZT)系固溶体系统,占压电陶瓷总产量的70%。

纯的PbZrO3和PbTiO3的熔融温度均在1573K以上，但含杂质的PbZrO3与PbTiO3的熔融温度远比纯的低。

由液相冷却可形成Pb(Ti，Zr)O3。

第42卷第7期2023年7月硅㊀酸㊀盐㊀通㊀报BULLETIN OF THE CHINESE CERAMIC SOCIETY Vol.42㊀No.7July,2023固相合成法制备工程化应用的大应变压电陶瓷材料李㊀伟,盖学周,汪跃群(中国船舶集团有限公司第七一五研究所,杭州㊀310012)摘要:随着我国科技水平的飞速发展,激光惯性导航系统的精度要求越来越高㊂采用工业级原材料,通过固相合成法制备了铌锑-铌镍-锆钛酸铅(PSN-PNN-PZT)四元系大应变压电陶瓷材料,讨论了不同含量Sr 对PSN-PNN-PZT 压电陶瓷材料介电性能㊁压电性能的影响㊂结果表明:当Sr 含量为1%(摩尔分数)㊁n (Zr)/n (Ti)=43/57(摩尔比)时,PSN-PNN-PZT 组成位于准同型相界附近,压电陶瓷性能较优,获得了一种相对介电常数εT 33/ε0㊁机电耦合系数k p ㊁压电常数d 33㊁介电损耗tan δ㊁居里温度T c 分别为4090㊁0.664㊁686pC /N㊁0.0165及213ħ的大应变压电陶瓷材料;基于该材料配方制备的ϕ24mm ˑϕ5mm ˑ0.4mm 压电陶瓷圆环,在100V 的驱动电压下产生的应变量能达到2.5005μm,较现有的PZT-14(P14)材料提升32.4%,能应用于高精度激光陀螺稳频器中,提高压电陶瓷微位移驱动器的可靠性㊂关键词:压电陶瓷;PSN-PNN-PZT;大应变;介电性能;压电性能;居里温度中图分类号:TM282㊀㊀文献标志码:A ㊀㊀文章编号:1001-1625(2023)07-2597-06Large Strain Piezoelectric Ceramics for Engineering Applications Prepared by Solid-State Synthesis MethodLI Wei ,GAI Xuezhou ,WANG Yuequn(The 715th Research Institute of China Shipbuilding Group Co.,Ltd.,Hangzhou 310012,China)Abstract :With the rapid development of scientific and technological level,the accuracy requirements for laser inertial navigation systems are becoming increasingly high.The quaternary PSN-PNN-PZT piezoelectric ceramics with large strain were prepared by the conventional solid-state synthesis method using industrial grade raw materials.The influence of different content Sr on the dielectric and piezoelectric properties of PSN-PNN-PZT piezoelectric ceramics was discussed.It is found that when the Sr content is 1%(mole fraction)and the molar ratio of n (Zr)/n (Ti)is 43/57,the PSN-PNN-PZT composition locates at morphotropic phase boundary and the piezoelectric ceramics show excellent properties.The large strain piezoelectric ceramics can be achieved,which are as follows:relative dielectric constant εT 33/ε0=4090,electromechanical coupling coefficient k p =0.664,piezoelectric constant d 33=686pC /N,dielectric loss tan δ=0.0165,Curie temperature T c =213ħ.The strain of ϕ24mm ˑϕ5mm ˑ0.4mm piezoelectric ceramic thin rings based on this material formula reaches 2.5005μm at 100V driving voltage,which is 32.4%higher than that of the existing PZT-14(P14)material.This material can be applied in high-precision laser gyro frequency stabilizers to improve the reliability of piezoelectric micro-displacement actuator㊂Key words :piezoelectric ceramics;PSN-PNN-PZT;large strain;dielectric property;piezoelectric property;Curie temperature 收稿日期:2023-03-09;修订日期:2023-05-26作者简介:李㊀伟(1988 ),男,工程师㊂主要从事压电功能材料的研究㊂E-mail:lee2007nuaa@0㊀引㊀言我国电子信息技术与国防工业的高速发展,对激光陀螺的惯性导航系统提出了更高精度的要求㊂在驱动器的应用中,压电陶瓷元件需具有优异的大应变特性,这种大应变特性可以实现在较低的驱动电场强度下产生较大的应变,通常会达到微米级㊂在激光器稳频应用方面,压电陶瓷作为驱动器核心部件得到了广泛应用,激光器谐振腔腔长受温度影响会发生微米级的膨胀或收缩,会导致激光的频率偏移,这对航空航天领域2598㊀陶㊀瓷硅酸盐通报㊀㊀㊀㊀㊀㊀第42卷的应用来说是致命的㊂压电陶瓷微位移驱动器可实现微米级别的位移补偿,从而调整激光器谐振腔腔长以达到激光器稳频效果[1-2]㊂针对此应用,大应变压电陶瓷在性能上应满足高的压电应变系数㊁机电耦合系数及较高的介电常数;同时,为满足实际应用环境需求,大应变压电陶瓷还需要具有高的居里温度和较高的矫顽场㊂目前大应变压电陶瓷体系主要有镧锑锆钛酸铅(PLSZT)㊁铌锌-锆钛酸铅(PZN-PZT)㊁铌镍-锆钛酸铅(PNN-PZT)及铌锌-铌镍-锆钛酸铅(PZN-PNN-PZT)[3]等㊂PNN-PZT压电陶瓷具有优异的压电性能,但居里温度较低,且不太稳定[4-6];而Pb(Sb1/2Nb1/2)O3(PSN)能有效抑制PZT陶瓷的晶粒生长,使PSN-PZT陶瓷体系具有较高的机电耦合系数㊁较好的稳定性和较高的居里温度[7-8]㊂根据PSN和PNN各自的特性,将两者组合在一起与PZT 构成的四元系Pb(Sb1/3Nb2/3)O3-Pb(Ni1/3Nb2/3)O3-Pb(ZrTi)O3(PSN-PNN-PZT)将兼具高机电耦合系数和高压电应变系数的优点,具有较高的研究和应用价值㊂目前大压电应变压电陶瓷材料主要是PZT-14(P14)材料,该材料是在PZT二元系的基础上复合Pb(Zn1/3Nb2/3)O3,然后进行掺杂改性得到的,其相对介电常数εT33/ε0=3400㊃(1ʃ10%),机电耦合系数k p=0.64㊃(1ʃ5%)㊂目前,该材料主要用于航空航天研究院所的军横向压电陀螺仪(年需求量30万件以上,产值800万元以上),以及本单位浮标㊁面元水听器等项目中㊂从客户装配及实际使用的反馈情况看,在器件使用过程中,在相同驱动电压的情况下,丹麦产压电元件的压电应变量要比本单位P14材料的应变量高10%~15%;在近似线性的情况下,要获得相同的应变驱动,丹麦产压电元件所需的驱动电压比P14材料所需的驱动电压要小10%及以上,从而能够有效提高器件的可靠性及优化后端装备,更有利于系统的集成等㊂鉴于此,迫切需要在现有P14材料的基础上进行大应变压电陶瓷新材料的研究,以期进一步提高器件实际使用过程中的应变量㊂本文通过控制Zr/Ti比㊁PSN和PNN含量,研究Sr掺杂对四元系PSN-PNN-PZT压电陶瓷材料介电及压电性能的影响,采用铁电性能测量㊁压电应变测量及居里温度测量等对其进行了表征,并与现有高压电应变P14材料进行了对比㊂1㊀实㊀验1.1㊀样品制备采用工业级纯度的Pb3O4㊁ZrO2㊁TiO2㊁Sb2O3㊁Nb2O5㊁Ni2O3及SrCO3为原料,按照Pb1-x Sr x[(Sb1/3Nb2/3)a (Ni1/3Nb2/3)b(Zr0.43Ti0.57)c]O3(其中a+b+c=1,x=0㊁0.005㊁0.010㊁0.015)准确称料㊂采用传统电子陶瓷制备工艺,在50kg级滚筒球磨机中用纯净水㊁锆球混合球磨40h,烘干后预合成(860ħ,2h);粉碎后搅拌球磨4h,加入质量分数为7%~8%的聚乙烯醇(PVA)溶液作为黏结剂,使用喷雾塔进行喷雾造粒,干压成型为ϕ25mmˑ(2.3~2.8)mm的圆片;在隧道窑炉中进行1250ħ烧结,烧结后采用瓷片机加工成ϕ20mmˑ1mm圆片;超声清洗被银面,采用丝网印刷银电极,网带炉中780ħ烧银,在(135ʃ5)ħ硅油中,2500~ 3000V直流电压下极化15min,保持电压吹冷到温度不高于60ħ㊂1.2㊀性能测试将样品打磨后,采用理学smartlab9kW型X射线衍射仪测试样品的XRD谱,并进行物相分析,通过FEI Quanta250FEG型扫描电子显微镜获得样品断面的晶粒形貌㊂将极化后的样品在室温静置5~7d后,在TH2828S阻抗分析仪上采用电桥法测量元件的谐振频率f r㊁反谐振频率f a,以及相应的电容C T和介电损耗tanδ,参照‘水声实用压电陶瓷元件性能参数的测量与计算方法“(CB/T4314 2013)计算出机电耦合系数k p和相对介电常数εT33/ε0;采用ZJ-2型准静态d33测量仪测试元件的纵向压电常数d33;采用TF Analyzer 2000E型铁电压电分析仪测试元件的矫顽场E c和应变(蝶形回线测量);采用高低温系统测试样品的介电温谱,获得材料的居里温度T c㊂2㊀结果与讨论2.1㊀X射线衍射(XRD)和扫描电子显微镜(SEM)分析图1(a)为不同Sr含量掺杂的样品在1250ħ烧结时的XRD谱㊂由图1(a)可知,在n(Zr)/n(Ti)=第7期李㊀伟等:固相合成法制备工程化应用的大应变压电陶瓷材料2599㊀43/57时,所有的组成样品都获得了纯的钙钛矿结构,无第二相产生,衍射峰强度大,结晶比较完全㊂众所周知,三方相结构在2θ=44ʎ~45ʎ处只有一个峰,在图中标记为(200)R ;四方相结构在2θ=43ʎ~46ʎ处有两个峰,图中分别标记为(002)T 和(200)T ㊂图1(b)为局部放大的XRD 谱,在2θʈ45ʎ处形成很宽的衍射峰,使用Gaussian 函数来分离重叠在一起的(200)峰,如图1(c)所示㊂图中的三个峰意味着样品为三方相和四方相的混合相,为两相共存的相界组成,此组成处具有最佳的压电和介电性能,与准同型相界一致[9-10]㊂图1㊀不同Sr 含量PSN-PNN-PZT 压电陶瓷的XRD 谱和拟合曲线Fig.1㊀XRD patterns and fitting curves of PSN-PNN-PZT piezoelectric ceramics with different Sr content 图2为不同Sr 含量掺杂的样品在1250ħ烧结时的断面SEM 照片㊂由图2可知,在n (Zr)/n (Ti)=43/57时,所有组成样品都具有较致密的断面形貌,没有气孔产生,陶瓷片内部晶粒尺寸大,晶界清晰,材料的致密度较高㊂利用阿基米德排水法测得样品的瓷体密度达到了7.9g /cm 3㊂图2㊀不同Sr 含量PSN-PNN-PZT 压电陶瓷的断面SEM 照片Fig.2㊀SEM images of cross section of PSN-PNN-PZT piezoelectric ceramics with different Sr content 2.2㊀电学性能进行不同Sr 含量掺杂的PSN-PNN-PZT 体系配方实验,n (Zr)/n (Ti)=43/57,1250ħ烧成保温2h 的PSN-PNN-PZT 压电陶瓷介电和压电性能的变化情况如表1及图3所示㊂表1㊀不同Sr 含量PSN-PNN-PZT 压电陶瓷的性能参数Table 1㊀Properties parameters of PSN-PNN-PZT piezoelectric ceramics with different Sr contentSr content tan δεT 33/ε0k p d 33/(pC㊃N -1)E c /(V㊃mm -1)x =00.016137870.650652858x =0.0050.016639860.661673861x =0.0100.016540900.664686878x =0.0150.016039520.6486658712600㊀陶㊀瓷硅酸盐通报㊀㊀㊀㊀㊀㊀第42卷图3为相对介电常数εT33/ε0㊁压电应变系数d33和机电耦合系数k p随Sr掺杂量x的变化㊂由图3可以看出,εT33/ε0㊁d33和k p均随着Sr含量的增加先增大后减小,在x=0.010时,获得实验中的最优介电及压电性能,此时εT33/ε0=4090,k p=0.664,d33=686pC/N,E c=878V/mm㊂这是因为在n(Zr)/n(Ti)=43/57时系统处于准同型相界附近,使抑制晶相结构转变的机械应力松弛,在电场作用下,电畴易于取向,晶格转向更加容易,从而使相界附近的组成具有介电和压电性能的最优值㊂2.3㊀居里温度采用高低温系统测试陶瓷样品的居里温度,图4是不同Sr含量的PSN-PNN-PZT压电陶瓷在1kHz下介电常数随温度的变化曲线㊂从图4中可以看出,随温度升高,介电常数先增大,这是因为样品内部热运动加剧,畴壁运动更容易,热缺陷增多,所以样品的电容增加[11],之后曲线斜率急剧增大,介电常数呈指数形增长,到达最高点后开始下降,最高点对应的温度为样品的居里温度T c㊂未掺杂Sr的PSN-PNN-PZT压电陶瓷样品(x=0)的T c为221ħ,介电常数峰值εmax=32972;Sr元素掺杂后,样品的T c有一定程度降低,在x= 0.010(压电和介电性能最优处)时,样品的T c为213ħ,有最大的介电常数峰值εmax=34579㊂从2.2节可知,添加Sr元素会使体系的压电和介电性能提高,这是由于晶体结构中的晶格畸变增大,会增加畴结构的转向,导致Sr掺杂后的压电陶瓷在高温下更容易发生相转变㊂图3㊀PSN-PNN-PZT压电陶瓷的电学性能随Sr含量的变化Fig.3㊀Change of electrical properties of PSN-PNN-PZT piezoelectric ceramics with Srcontent 图4㊀PSN-PNN-PZT压电陶瓷在1kHz下εT33/ε0随温度的变化曲线Fig.4㊀Temperature dependence ofεT33/ε0of PSN-PNN-PZT piezoelectric ceramics at1kHz2.4㊀压电应变性能2.4.1㊀样品的应变(蝶形回线测量)测量PSN-PNN-PZT(x=0.010)材料ϕ20mmˑ1mm元件在室温3000V/mm电场下的轴向应变,并与P14材料ϕ20mmˑ1mm元件在相同条件下的轴向应变进行对比,如表2㊁图5所示㊂表2㊀PSN-PNN-PZT及P14材料在3000V/mm下应变对比Table2㊀Comparison of strain of PSN-PNN-PZT and P14materials at3000V/mmType of materialTest electricfield/(V㊃mm-1)Average d33positiveside/(pm㊃V-1)Average d33negativeside/(pm㊃V-1)Averaged33/(pm㊃V-1)Strain/%P14PSN-PNN-PZT3000515-5155150.417 581-5705760.432图5为PSN-PNN-PZT及P14材料随着电场强度变化产生的应变量(蝶形回线测量),应变曲线在电场强度E=3000V/mm下表现出典型的蝴蝶状曲线,PSN-PNN-PZT材料具有更高的平均d33和应变极值(S max= 0.432%)㊂图6为在相同测试条件下,两种材料在0~3000V/mm电场下的单级应变曲线,测试条件为25ħ/ 0.1Hz㊂从图6中可以看出PSN-PNN-PZT材料的应变值始终明显高于P14材料㊂第7期李㊀伟等:固相合成法制备工程化应用的大应变压电陶瓷材料2601㊀图5㊀PSN-PNN-PZT 及P14材料在ʃ3000V /mm下的应变曲线Fig.5㊀Strain curves of PSN-PNN-PZT and P14materials at ʃ3000V /mm 图6㊀PSN-PNN-PZT 及P14材料在0~3000V /mm 下的单级应变曲线Fig.6㊀Single-stage strain curves of PSN-PNN-PZT and P14materials at 0~3000V /mm 2.4.2㊀元件在100V 驱动电压下的应变量利用PSN-PNN-PZT(x =0.010)材料进行50kg 中试生产,批量化制备了ϕ24mm ˑϕ5mm ˑ0.4mm 的压电陶瓷圆环元件,测试其在实际使用过程中的应变量,并与P14材料进行比较㊂委托西安618所测试ϕ24mm ˑϕ5mm ˑ0.4mm 元件在100V 驱动电压下产生的应变量,测试设备为微位移测量设备,型号为MDM-CP-01㊂测试数据如表3所示㊂表3㊀ϕ24mm ˑϕ5mm ˑ0.4mm 元件在100V 下的应变量比较Table 3㊀Comparison of strain of ϕ24mm ˑϕ5mm ˑ0.4mm elements at 100VType of materialTest voltage /V Displacement 1/μm Displacement 2/μm Displacement 3/μm Average displacement /μm P14100 1.8835 1.9067 1.8769 1.8890PSN-PNN-PZT 100 2.5226 2.4776 2.5014 2.5005表3中测量结果表明,PSN-PNN-PZT 材料的ϕ24mm ˑϕ5mm ˑ0.4mm 元件在100V 下的应变量为2.5005μm,较现有的P14材料提升32.4%㊂在近似线性的情况下,要获得相同的应变驱动,PSN-PNN-PZT材料所需的驱动电压更小,从而能够有效提高器件的可靠性及优化后端装备,更有利于系统的集成等[12]㊂2.5㊀PSN-PNN-PZT 与P14材料性能对比表4中列出了PSN-PNN-PZT(x =0.010)与P14材料的综合性能对比情况㊂从表4中可以发现PSN-PNN-PZT 材料的压电和介电性能均优于现有的P14材料,而居里温度T c 略低,基于PSN-PNN-PZT 材料配方制备的ϕ24mm ˑϕ5mm ˑ0.4mm 元件在100V 下的应变量较现有的P14材料提升32.4%㊂表4㊀PSN-PNN-PZT 与P14材料综合性能对比Table 4㊀Comparison of comprehensive properties of PSN-PNN-PZT and P14materialsType of material εT 33/ε0k p d 33/(pC㊃N -1)Strain /%T c /ħDisplacement at 100V /μm PSN-PNN-PZT 40900.6646860.432213 2.5005P143400㊃(1ʃ10%)0.64㊃(1ʃ5%)575㊃(1ʃ15%)0.417230 1.88903㊀结㊀论1)采用传统固相烧结法制备Sr 掺杂的PSN-PNN-PZT 压电陶瓷㊂当烧结温度为1250ħ㊁保温时间为2h㊁掺杂量x =0.010时,形成高纯钙钛矿结构,陶瓷中存在三方相与四方相共存的准同型相界,晶粒大小较均匀且晶粒饱满,晶界清晰,压电和介电性能达到最优,此时相对介电常数εT 33/ε0=4090,介电损耗tan δ=0.0165,机电耦合系数k p =0.664,压电常数d 33=686pC /N,矫顽场E c =878V /mm,居里温度T c =213ħ,2602㊀陶㊀瓷硅酸盐通报㊀㊀㊀㊀㊀㊀第42卷应变极值S max=0.432%㊂2)基于PSN-PNN-PZT材料配方制备的ϕ24mmˑϕ5mmˑ0.4mm元件在100V下的应变量较现有的P14材料提升32.4%㊂新材料研制成功后,将提升现有P14压电陶瓷材料实际使用状态下的压电应变量,有效提高器件的可靠性及优化后端装备,提高激光器的稳频效果㊂从用于航空航天研究院所的军横向压电陀螺仪的发展趋势和装备需求来看,市场前景广阔㊂参考文献[1]㊀赵㊀丽,壮㊀凌,张春林,等.压电陶瓷控制系统及其在激光器中的应用[J].压电与声光,2007,29(5):550-552.ZHAO L,ZHUANG L,ZHANG 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材料制造和应用2020年第3期59PZT8与PZT4压电陶瓷材料的性能对比莫国伟（辽宁机电职业技术学院，辽宁 丹东 118000）摘　要：PZT8和PZT4是功率超声换能器（如焊接、切割、声纳等）中常用的“硬”压电陶瓷材料。

PZT8是谐振器件的最佳选择，与PZT4相比，PZT8是一种“更硬”的材料，因为它在更高的预载和驱动水平下具有更好的稳定性。

文章采用理论研究方法，就PZT8与PZT4压电陶瓷材料的性能对比展开了研究，为PZT8和PZT4材料的选择提供参考和帮助。

关键词：超声换能器；PZT4；PZT8；半导体引线键合；ANSYS 中图分类号：J527 文献标志码：A 文章编号：2096-3092（2020）03-0059-01PZT8和PZT4（海军Ⅲ型和Ⅰ型）是功率超声换能器中常用的“硬”压电陶瓷材料。

PZT 压电材料由铅、锆、钛等无机氧化物组成。

PZT8和PZT4材料特性因供应商不同而存在差异，PZT8和PZT4通常由换能器设计师使用。

文章以PZT8或PZT4材料组装之半导体引线键合用相同超音波换能器之效能为个案进行研究。

PZT8和PZT4在宽度“W”方向上振动的单个切块板的结果不同。

PZT4的波速C（频率）和机械质量因数Q m 较低，但有效机电耦合因数K 大致相同（根据供货商的K33特性，PZT4不高于此）；应注意，目录特性具有±20%的公差。

文章从热成像和有限元两个方面进行分析研究。

1 热成像红外热像仪图像如图1所示。

使用FLIR-T621红外相机在恒定1μm 工具振幅下对各种PLL 驱动时间进行热成像分析。

十字线指示在角落中显示的温度查询的位置（压电叠层的中心）[1]。

与PZT8基本相同，96MPa 的态时运行7%的冷量。

然而，当假设相同的Q m 时，有限元分析结果并没有显示PZT4相对于PG 的优势，但是装配的PZT4传感器确实显示出更高的Q m 。

应注意的是，PZT4传感器的较高Q m 仍在PZT8传感器的正常范围内，因此不能排除接头接口处的轻微机械差异。

功能陶瓷材料及其应用研究进展发布时间：2008-02-29 /多层压电变压器及其背光电源具有高功率密度、高转换效率、薄型化和低成本等特点。

基于缺陷化学原理和无晶粒长大的致密化烧结动力学，制备了亚微米/纳米晶钛酸钡基陶瓷及其薄层化*金属内电极mlcc。

研制了低烧铁氧体材料及其片式电感器。

介绍了压电陶瓷超声徽马达的结构与特性。

功能陶瓷是具有电、磁、声、光、热、力、化学或生物功能等的介质材料。

功能陶瓷材料种类繁多，用途广泛，主要包括铁电、压电、介电、热释电、半导体、电光和磁性等功能各异的新型陶瓷材料。

它是电子信息、集成电路、移动通信、能源技术和国防军工等现代高新技术领域的重要基础材料。

功能陶瓷及其新型电子元器件对信息产业的发展和综合国力的增强具有重要的战略意义。

电子信息技术的集成化和微型化的发展趋势，推动电子技术产品日益向微型、轻量、薄型、多功能和高可*的方向发展。

功能陶瓷元器件多层化、片式化、集成化、模块化和多功能化以及高性能低成本是其发展的总趋势。

本文着重介绍部分功能陶瓷及其片式元器件应用研究的新进展。

1.铁电陶瓷及其高性能片式元器件多层片式陶瓷电容器(mlcc)是一种量大面广的重要电子元器件，广泛用于电子信息产品的各种表面贴装电路中。

大容量、薄层化、低成本、高可*等是mlcc发展的主要方向。

mlcc是陶瓷介质材料、相关辅助材料以及精细制备工艺相结合的高技术产品。

陶瓷介质材料是影响mlcc诸多性能的关键因素。

钛酸钡铁电陶瓷是mlcc 的主流材料。

它在居里点附近虽然有较高的介电常数，但其温度变化率也较大。

温度稳定型x7r mlcc是一种有广泛而重要用途的片式元件。

如何保证高介电常数与低容温变化率兼优是一个技术难题。

研究结果表明:通过添加物复合掺杂，控制烧结过程以形成化学成分不均匀的“芯(铁电相)-壳(顺电相)”结构，所制备的钛酸钡基x7r502 mlcc材料的室温介电常数可达5000左右，室温介电损耗小于1%，电阻率为1011ω?m。