锑锰锆钛酸铅压电陶瓷瞬时液相烧结及其掺杂改性的研究

作     者：杨坚 

作者单位：昆明理工大学 

学位级别：硕士

导师姓名：甘国友

授予年度：2016年

学科分类：08[工学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 

主      题：PMS-PZT 超声聚焦换能器 瞬时液相 Sr/Ba掺杂 CeO2掺杂 

摘      要：锆钛酸铅(PZT)基压电陶瓷自1945年发现具有优异的压电性能和介电性能以来,就作为兆赫兹频段里的换能器材料,被广泛应用于声纳换能器、水声换能器、超声电机等各种超声应用的换能器。由于压电陶瓷材料的应用十分广泛,在不同的应用领域,对其有不同的性能要求。为了适应不同的使用要求,各种各样的压电陶瓷配方被开发和设计。本论文针对聚焦超声换能器用压电陶瓷,采用传统固相法制备锑锰锆钛酸铅(PMS-PZT)系压电陶瓷,研究不同烧结工艺,不同Sr、Ba复配掺杂比和CeO2掺杂对陶瓷性能的影响。通过XRD、SEM、EDS、阻抗分析仪、d33准静态测试仪等测试方法对陶瓷样品的结构、形貌、成分、电学性能进行了分析。Pb(Mn1/3Sb2/3)0.05Zr0.47Ti0.48D3(PMS-PZT)压电陶瓷随着烧结温度的上升,晶粒逐渐长大,晶化质量提高,d33、Kp和Qm呈现上升的趋势;但在1200℃烧结时,d33和Kp却突然下降,这是由于化学组分的波动。介电性能的变化规律不能直接用密度的变化来解释,这时由于PMS-PZT陶瓷体系在1100℃附近会形成低温共熔物并在晶界富集从而降低了介电常数并增加了介电损耗。烧结气氛对PZT压电陶瓷体系的影响很大,在烧结过程中提供PbO和O2气氛有助于抑制PbO的挥发,而且同时加速Zr4+扩散,促进陶瓷的致密化过程。对于有瞬时液相烧结的体系,液相烧结温度附近升温速率的提高有助于提高液相的量,从而促进烧结,但是过快的升温速率也会造成晶粒异常长大,从而恶化性能。通过烧结工艺的研究,进一步对Sr/Ba压电陶瓷进行复配掺杂改性。单独掺杂Sr或Ba的陶瓷样品组分位于四方相区,而Sr/Ba以一定比例共掺的陶瓷样品组分位于三方相和四方相共存的准同型相界位置。由于压电陶瓷在准同型相界具有较高的压电和介电活性,所以Sr/Ba共掺的压电陶瓷表现出较大的压电性能,但同时由于电畴转向带来的较大内摩擦和结构损耗,也提高了材料的机械损耗和介电损耗。由于Sr、Ba复配掺杂时,当机电耦合系数Kp较高时,机械品质因数Qm较低,且介电损耗相对较高。所以针对Pb0.92Sr0.06Ba0.02(Mn1/3Sb2/3)0.05Zr0.48Ti0.47O3(P6SBSM-PZT)压电陶瓷通过两性剂CeO2进一步改性,CeO2掺杂有助于陶瓷中三方相含量的增多,但是过多CeO2掺杂会引起焦绿石相等杂相的生成。此外,CeO2有细化晶粒的效果,但是过量的CeO2掺杂会造成Ce在烧结完成后富集在晶界处,造成晶界强度的降低,使陶瓷的断裂方式从穿晶断裂向沿晶断裂转变。CeO2作为压电陶瓷常用的两性添加剂,少量掺杂时,压电陶瓷获得较高的机电耦合系数Kp、机械品质因数Qm。在1250℃烧结的0.25ω%Ce02掺杂的陶瓷样品获得最佳的性能：d33=323C·N-1, Kp=0.60,Qm=1396,εr=1309,tanδ=4.74%。