锆钛酸铅( PZT )在压电陶瓷驱动器中的应用

一种PZT基压电陶瓷及其制备方法技术领域本发明属于压电陶瓷制备技术领域，尤其涉及一种PZT基压电陶瓷及其制备方法。

背景技术压电陶瓷因其具有压电效应而得名。

当受到机械应力的作用或感应到振动信号时，在压电陶瓷两电极面间将会有电压信号输出，此为正压电效应；反之，给压电陶瓷施加电信号时，它也可以将电信号转换成振动信号，此为逆压电效应。

利用这两种特性(正逆压电效应)可以设计出许多具有特殊功能的元器件。

其中，Pb(Zr x Ti 1-x)O 3(PZT)压电陶瓷是由PbZrO 3和PbTiO 3形成的连续固溶体(0≤x≤1)，具有钙钛矿结构，也是目前研究最多、应用最广的压电陶瓷。

自20世纪50年代被发现以来，因其机电耦合系数高、温度稳定性好、居里温度较高，并具有良好的介电和压电性能，一直占据着压电陶瓷领域的主导地位。

它作为机、电、声、光、热敏感材料，在传感器、换能器、无损检测和通讯技术等领域己获得广泛应用，是一种发展前景十分良好的功能陶瓷材料。

传统制备压电陶瓷的方法是固相烧结法，其具有操作工艺简单、无需特殊设备等优点，是工业制备压电陶瓷的主要方法。

因此，一般情况下，PZT压电陶瓷的烧结温度在1200℃以上，烧结时间超过2h。

因在高温及长时间的烧结条件下，其组份中的PbO容易挥发(挥发温度约为800～900℃)，导致压电陶瓷的化学计量比发生偏差，影响材料的压电性能并会对人体造成损害、对环境造成污染；另外，烧结温度高，能耗大，不符合节约成本降低能耗的原则。

为减少高温下PbO的挥发及损失，一般在配料时加入过量的PbO，或者将烧结坯置入密闭坩埚中，并埋入PbO原料粉中，保证在铅的气氛中进行烧结。

然而，这种方法难以精确控制PZT压电陶瓷中Pb的含量，导致性能降低，同时不能将PbO的挥发从根本上消除。

因此，国内外研究人员均积极开展降低压电陶瓷烧结温度的研究，这样既能有效地减少烧结过程中PbO的挥发而减轻对人体和环境污染、稳定压电材料的性能，又能大大降低能耗，节约资源。

锆钛酸铅压电陶瓷纤维的制备与性能表征的开题报告一、选题背景：随着科技的不断进步，人们对电子、信息、通讯等方面的需求越来越高，而压电材料的研究与应用成为了这些领域中不可或缺的一部分。

压电材料具有电-机-能相互转换的特性，可以将电能、机械能、声能等形式的能量进行相互转化，广泛应用于传感器、马达、声学发射器、各种控制器和放大器等方面。

锆钛酸铅（PZT）压电陶瓷因其优良的压电、介电和机械特性，成为了当前压电材料中最主要和最重要的一种，其广泛应用于传感器、换能器、控制器、马达等领域。

而纤维增强PZT陶瓷作为一种新型的压电材料，由于过程简单、成本低、制备稳定性好等特点被越来越多地研究和应用。

然而，纤维增强PZT陶瓷的制备过程仍然存在一些技术难题，如纤维分散、陶瓷坯体致密度低等问题。

因此，对锆钛酸铅压电陶瓷纤维的制备过程和性能进行深入研究，具有很高的研究和应用价值。

二、研究目的：本研究旨在进行锆钛酸铅压电陶瓷纤维的制备与性能表征，探究其制备工艺和性能特点。

三、研究内容：（1）锆钛酸铅压电陶瓷纤维制备原理的研究；（2）锆钛酸铅压电陶瓷纤维制备工艺的优化；（3）锆钛酸铅压电陶瓷纤维的物理、化学性能表征；（4）锆钛酸铅压电陶瓷纤维的应用前景研究。

四、研究方法：（1）采用溶胶-凝胶法制备PZT前驱体；（2）通过纤维增强工艺制备PZT纤维；（3）采用XRD、SEM、DSC、TG等方法对制备的PZT陶瓷纤维进行表征。

五、研究意义：（1）为深入研究制备工艺，并进一步提高制备的稳定性和陶瓷致密度提供基础理论；（2）为进一步探究其应用前景提供重要的理论和实验基础；（3）为推动陶瓷材料的研究与应用做出贡献。

2023-2028全球及中国锆钛酸铅（PZT）行业市场调研及投资前景分析报告一、市场概述近年来，随着电子设备的快速进步和新兴技术的涌现，锆钛酸铅（PZT）作为一种重要的功能陶瓷材料，逐渐受到了广泛关注。

它具有良好的电性能、机械性能和热稳定性，在声波、超声波、传感器、电容器等领域有着广泛的应用前景。

本报告将重点分析2023-2028年全球及中国锆钛酸铅行业的市场调研及投资前景。

二、全球锆钛酸铅市场分析1. 锆钛酸铅市场规模及进步趋势依据市场调研数据显示，全球锆钛酸铅市场规模有望在2023-2028年之间稳步增长。

这主要受益于锆钛酸铅在电子设备、汽车电子、医疗器械等领域的广泛应用和需求增长。

同时，新兴技术的进步如物联网、5G通信等也将对锆钛酸铅市场带来更大的需求。

2. 锆钛酸铅市场主要应用领域目前，全球锆钛酸铅主要应用于声波和超声波系统、传感器、电容器以及其他电子器件中。

其中，声波和超声波系统是锆钛酸铅的主要应用领域，其在安防、汽车、航空航天等行业中有着广泛的应用。

3. 锆钛酸铅市场竞争格局当前全球锆钛酸铅市场竞争激烈，主要的生产厂商包括日本村田制作所、美国福特日立、中国台湾的 HCT Group 等。

这些公司通过技术研发、合作扩张等方式竞争，以满足市场需求。

三、中国锆钛酸铅市场分析1. 中国锆钛酸铅市场现状近年来，中国锆钛酸铅市场呈现快速增长的趋势。

随着国内电子产业的进步和政策的支持，中国的锆钛酸铅行业有着良好的进步前景。

同时，中国的制造成本较低，使得中国在全球锆钛酸铅市场中具有竞争优势。

2. 中国锆钛酸铅市场需求分析中国是全球最大的电子消费市场之一，近年来电子设备的销量持续增长。

这促使了锆钛酸铅市场需求的增加。

此外，中国制造业的转型升级和新兴技术的进步，也将进一步推动锆钛酸铅市场的需求。

3. 中国锆钛酸铅市场前景分析展望将来，中国锆钛酸铅市场有望保持稳定增长。

随着5G通信技术的推广和应用，锆钛酸铅在高频通信设备中的需求将进一步增加。

压电效应材料的组成压电效应是指某些晶体材料在受到外力作用时，会产生电荷分离现象，从而产生电压。

这种效应被广泛应用于声波发生器、压力传感器、振动传感器等各种应用中。

在压电效应的实现中，材料的组成起着重要的作用。

本文将介绍几种常见的压电材料及其组成。

1. 铅锆钛酸钛（PZT）：铅锆钛酸钛是一种经典的压电材料，由铅酸钛和锆酸钛组成。

铅锆钛酸钛具有优异的压电性能和储能性能，被广泛应用于超声波传感器、压电陶瓷换能器等领域。

其主要成分是铅、锆、钛等元素，通过合适的比例混合制备而成。

2. 锆钛酸铅（PTZ）：锆钛酸铅是另一种常见的压电材料，由铅酸钛和锆酸钛组成。

与PZT相比，PTZ具有更高的压电系数和更宽的工作温度范围。

PTZ通常由铅、锆、钛等元素按照特定的配比制备而成。

3. 铁电材料：除了铅锆钛酸钛和锆钛酸铅，还有一些其他的铁电材料也具有压电效应。

铁电材料是一类具有铁电性质的材料，常见的有钛酸锶钡（SBS）、钛酸铋镧（BLT）等。

这些材料的主要成分包括钛、锶、钡、铋、镧等元素，通过合适的比例混合制备而成。

4. 聚合物压电材料：除了无机压电材料，还有一类聚合物也具有压电效应。

聚合物压电材料主要由聚合物基质和压电填料组成。

常见的聚合物基质有聚乙烯、聚丙烯等，而压电填料则通常是铅锆钛酸钛或锆钛酸铅等无机压电材料微粒。

通过将聚合物基质和压电填料进行混合、加工制备而成。

压电效应材料的组成对于其性能和应用具有重要影响。

不同的材料组成会导致其具有不同的压电性能、工作温度范围、机械强度等特点。

在选择压电材料时，需要根据具体的应用需求来确定合适的材料组成。

同时，材料的制备工艺也对其性能有影响，需要采用适当的方法进行制备和加工。

压电效应材料的组成是实现压电效应的关键。

常见的压电材料包括铅锆钛酸钛、锆钛酸铅、铁电材料和聚合物压电材料等。

它们的组成对于其性能和应用具有重要影响，需要根据具体需求选择合适的材料组成。

在制备和加工过程中，也需要采用适当的方法来提高材料的性能和稳定性。

锆钛酸铅粉
锆钛酸铅粉是一种重要的电子陶瓷材料，具有优异的压电、铁电和介电性能，被广泛应用于电子、通信、汽车、医疗等领域。

它的主要特点包括：
1. 压电性能：锆钛酸铅粉具有较高的压电常数，能够将机械振动转换为电信号，或反之将电信号转换为机械振动，因此被广泛应用于压电传感器、超声换能器等领域。

2. 铁电性能：锆钛酸铅粉具有铁电性，即在一定温度范围内具有自发极化，并且可以通过外加电场来改变极化方向。

这种特性使得它在存储器、电容器等领域具有重要应用。

3. 介电性能：锆钛酸铅粉具有较高的介电常数和较低的介电损耗，因此在高频电路、微波通信等领域有广泛应用。

压电陶瓷性能的老化与改善途径1 压电陶瓷性能老化的定义、规律及重要性极化处理后的压电陶瓷性能随存放时间的延长而变化的现象，称为其性能的老化(ageing)。

压电陶瓷放置的时间越长，总的变化量越大，但变化的速度会逐渐减缓。

这个变化是不可逆的，除非其受到新的激励和干扰(如重新人工极化处理等)，否则不会再具有原来水平的性能。

一般规律是:介电常数、介电损耗、压电常数、弹性柔顺系数都变小；而频率常数、机械品质因数值变大。

而发现这些性能参数的变化基本上与时间的对数呈线性关系，即111()()lg ()y t y t t A y t t -= （1） 式中y 代表陶瓷材料的性能参数，y(t 1)是极化处理以后单位时间t 1（例如1天等）测得的该参数的值，y(t)是极化以后经过t 时间（例如100天等）后测得的值；t 1及t 以天数或小时数表示。

A 为常数，称为老化率。

若取以10为底的对数，求得的A 称为十倍时间老化率。

显然，∣A ∣越小，材料的稳定性就越好。

图1表示了BaTiO 3压电陶瓷性能参数的老化情况（以时间对数作横坐标的半对数作图）。

可以看出随着时间的延长，变化趋缓。

A 代表图线的斜率。

A ＞0，表示该参数随时间变大；A ＜0，表示该参数随时间变小。

图1 典型的BaTiO 3压电陶瓷性能参数的经时变化实验研究表明，A 的典型数值，对于谐振频率常数，在0.05%至1.5%之间，对于压电耦合系数与介电系数，A 值在-0.5%至-5%范围内。

介电损耗的A 为高负值，机械品质因数的A 为较高的正值。

必须指出，式（1）只是一个近似公式。

事实上，A 不是常数，否则按（1）式的变化规律，在足够长的时间以后，参数值趋向零或无穷大，而实际情况并不是这样。

图2为代表性PZT 压电陶瓷性能参数的老化情况。

可以看出，各项参数的老化率A 随时间有小的变化，半对数坐标作图的结果不是直线。

老化率A 的测定方法：按照有关参数的测试方法，测出第101天、第102天、第103天的参数值，然后按式（1）便可算出A 值。

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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