【文章內(nèi)容簡介】 ，材料強烈的損耗能量，介電常數(shù)和介質(zhì)損耗與溫度的關(guān)系均出現(xiàn)峰值。隨頻率的升高，介電常數(shù)減小，介質(zhì)損耗增大，且在低溫側(cè)介電峰隨測試頻率的提高而略微向高溫方向移動，這就是頻率色散。 幾種PZT基陶瓷的特點PbZrO3和PbTiO3的結(jié)構(gòu)特點比較：分子式PbZrO3PbTiO3結(jié)構(gòu)鈣鈦礦結(jié)構(gòu)鈣鈦礦結(jié)構(gòu)Tc(立方順電)230℃（正交晶系）490℃類別反鐵電體鐵電體Tcc/a1(, 正交)c/a1()Tc立方順電相PbZrO3和PbTiO3的結(jié)構(gòu)相同，Zr4+與Ti4+的半徑相近，故兩者可形成無限固溶體，可表示為Pb(ZrxTi1x)O3，簡稱PZT陶瓷。Pb(Mn1/3Sb2/3)O3 和Pb(Mn 1/3Nb2/3 )O3是文獻報道最常用的提高功率特性的馳豫鐵電體組元，其特征是復合鈣鈦礦的B位由受主摻雜元素(Mn)和施主摻雜元素 (Sb，Nb)構(gòu)成，受主摻雜使機械品質(zhì)因數(shù)提高，同時施主摻雜提高機電耦合系數(shù)。把它們作為組元加入陶瓷體中會產(chǎn)生數(shù)量相當大的空間電荷，大量的空間電荷對疇壁運動將會產(chǎn)生很大的抑制作用，從而可顯著提高Qm。 （1）xPMgNyPTzPZ具有高機電耦合系數(shù)、高介電常數(shù)、較大的機械品質(zhì)因數(shù)和較好的穩(wěn)定性，用途廣泛，可做拾音器、微音器、濾波器、變壓器、超聲延遲線以及引爆用的火花塞等。在主成分中添加適量的MnO2可使機械品質(zhì)因數(shù)高達3886，用Sr可使相對介電常數(shù)高達9153。（2）xPMSyPTzPZ材料適用于陶瓷濾波器及機械濾波器的換能器。該材料的特點是耦合系數(shù)可在很寬的范圍內(nèi)調(diào)節(jié)，Qm可達5300，Kp=，介質(zhì)損耗小，穩(wěn)定性好。PMS的加入使得介電常數(shù)下降和介質(zhì)損耗增加，居里溫度降低。將PNW加入到該體系中，晶粒長大，會使介電常數(shù)和介質(zhì)損耗增加，同時降低燒結(jié)溫度[14]和居里溫度。除此之外，PNW和PMS的增加都使體系向三方移動[15]。（3）xPMNyPTzPZ材料一般用于濾波器振子，可適合做延遲線的壓電換能振子。該材料的特點是可獲得高的Qm值，時間穩(wěn)定性好，Kp值中等，介電常數(shù)較低。例如取x=y=，z=。其很高的Qm使得當該體系工作在大振速條件下發(fā)熱很低，可適用于大功率要求，但居里點比較低，限制了其使用范圍。PMN在PZT組成中，其固溶度小于5mol%，多余的PMN會聚集在晶界，這樣就導致晶界處空間電荷的增加，阻礙疇的運動，降低介電常數(shù)和Kp。PMN的加入還會降低其居里溫度[16]。相結(jié)構(gòu)從四方向三方轉(zhuǎn)變。（4）xPZNyPTzPZ這種材料主要是用在陶瓷濾波器和機械濾波器的換能器。，但Qm低，添加適量的MnO2或NiO之后，可提高Qm達2000左右。選擇適當?shù)闹鞒煞峙浔?，可獲得較高的溫度穩(wěn)定性。（5）xPSNyPTzPZ材料一般用于大功率水聲發(fā)送和接受的振子，也可用作高壓發(fā)生元件。該材料的特點是Kp值顯著高，穩(wěn)定性也較好。x=，y=，z=，但Qm值只有85，通過添加CoO或NiO，可使Qm提高到1000以上，進一步改性可使Qm達到4000，Kp=，穩(wěn)定性好。（6）xPNNyPTzPZ材料的特點是相對常數(shù)特大，可達15260，Kp可在較寬范圍內(nèi)（）調(diào)節(jié)，添加適量的MnO2之后，（低頻）特性良好，可用于揚聲器等電聲器件。 幾種常見的化合物添加劑（1）MnO2錳摻雜可以使晶粒長大，在一定量范圍內(nèi)（.%）[17]可以大大提高材料的機械品質(zhì)因數(shù)Qm，同時機電耦合系數(shù)Kp降低幅度較小，對居里溫度的影響也較小[18]。MnO 2在摻雜時，有一定的溶解度，容易產(chǎn)生第二相，如加入到PZNPZT體系中，會置換PZN中的鋅離子產(chǎn)生ZnO第二相，且以PMN的形式加入到體系中性能更優(yōu)越[19]。（2）CeO2是一種軟、硬兩性兼有的添加物在煅燒和燒結(jié)過程中，Ce離子從四價轉(zhuǎn)變?yōu)槿齼r，當三價的Ce離子占據(jù)A位，產(chǎn)生鉛空位，疇的運動得到釋放，Kp和d33增加，Qm降低；當三價的Ce離子占據(jù)B位，產(chǎn)生氧空位，抑制了疇的運動，使得Kp和d33降低，Qm增加；當CeO2增加到一定量后，會在晶界溢出形成晶界層，導致Qm降低[20]，同時Kp和d33降低，原因可能是由于晶粒尺寸的減小[21]?？商岣咛沾傻膲弘娦阅堋４送?，CeO2的加入還可抑制陶瓷晶粒的長大，獲得細晶陶瓷，從而改善陶瓷的機械強度。 研究背景和意義大功率壓電陶瓷被廣泛應(yīng)用于超聲波馬達，壓電轉(zhuǎn)換器，壓電傳感器等器件，而這些壓電材料必須具有高的機電耦合系數(shù)，以實現(xiàn)高效率的電能與機械能之間的轉(zhuǎn)換，以及高的機械品質(zhì)因數(shù)，低損耗，高的居里溫度以滿足實際的應(yīng)用。大功率壓電器件中起作用的壓電振子是在諧振狀態(tài)下工作的，振子應(yīng)滿足產(chǎn)生盡可能大的形變，因而要求其具有高的壓電常數(shù)d33；要獲得高的轉(zhuǎn)換效率，則機電耦合系數(shù)Kp要大；為保證其在工作中散熱小，溫升低，要具有高的機械品質(zhì)因數(shù) Qm，低介質(zhì)損耗 tan以及低的諧振內(nèi)阻r．在電極面積一定時，r主要與Qm有關(guān)，Qm越大，r越小。所以大功率壓電陶瓷變壓器用材料必須同時具有這樣“三高”和“雙低”的性質(zhì)。但單一的PZT材料無法滿足大功率應(yīng)用的要求——同時具有高的介電常數(shù)和高的機械品質(zhì)因數(shù)。大功率應(yīng)用需要參數(shù)至少滿足Kp，d33200，Qm500[22]，剛開始主要是單一的PZT固溶體材料通過添加硬性或軟性添加物，以及調(diào)整鋯鈦比可以改善材料的性能，但是隨著壓電材料應(yīng)用的推廣，對材料提出的要求越來越苛刻，只依靠PZT二元體系的調(diào)整往往不能滿足多方面的要求，因此便出現(xiàn)了三元、四元甚至五元以PZT為基的體系。而這些體系通常是在PZT的基礎(chǔ)上添加馳豫鐵電體，該類鐵電體具有高的介電常數(shù)，高機電耦合系數(shù)，但居里溫度都較低。Pb(Mn1/3Sb2/3)O3（PMS）是文獻報道最常用的提高功率特性的馳豫鐵電體組元，其特征是復合鈣鈦礦的B位由受主摻雜元素(Mn)和施主摻雜元素 (Sb，Nb)構(gòu)成，受主摻雜使機械品質(zhì)因數(shù)提高，同時施主摻雜提高機電耦合系數(shù)。把它們作為組元加入陶瓷體中會產(chǎn)生數(shù)量相當大的空間電荷 ，大量的空間電荷對疇壁運動將會產(chǎn)生很大的抑制作用，從而可顯著提高Qm。 本文基于上述背景，采用PMSPZT三元體系來實現(xiàn)和滿足大功率應(yīng)用的需求。2 實驗部分 實驗藥品名稱分子式分子量等級生產(chǎn)廠家氧化鉛PbO分析純國家集團化學試劑有限公司氧化銻Sb2O3分析純四川成都開飛化工公司二氧化鋯ZrO2分析純汕頭市西隴化工廠有限公司二氧化鈦TiO2分析純國家集團化學試劑有限公司氧化鈰CeO2分析純國家集團化學試劑有限公司氧化鈮Nb2O5分析純國家集團化學試劑有限公司氧化釹Nd2O3分析純國家集團化學試劑有限公司碳酸鋇BaCO3分析純國家集團化學試劑有限公司二氧化錳MnO2分析純國家集團化學試劑有限公司 樣品制備本實驗中制備的試樣成分為：PZTMS+xwt.%Nb2O5+ywt.%Nd2O3+wmol%CeO2xywPZTMS1000PZTMS200PZTMS300PZTMS40PZTMS50采用傳統(tǒng)固相合成法制備PZTMS壓電陶瓷。根據(jù)設(shè)計的組成，按化學計量比稱取各氧化物，用行星球磨機在聚乙烯罐中混合球磨（蒸餾水，鋯球）4h，將濕料在烘箱中100176。C下烘干。然后將干粉研磨細后，置于帶蓋的剛玉坩堝中，在850176。C下預燒2h。取出后經(jīng)研磨，在相同條件下進行二次球磨6h，將濕料在100176。C下烘干即得到預燒粉體。將粉體壓制成圓片狀，于550℃下排膠4h。分別在在1200176。C、1225176。C、1250176。C、1275176。C四個溫度下燒結(jié)2h。將陶瓷圓片打磨拋光、清洗、烘干，在兩面涂覆銀漿，于550176。C燒滲銀電極。被銀后在120℃的硅油加電壓3kv/mm極化10 min，在室溫下靜置24h后測試其性能。其工藝步驟如下： 烘干球磨（蒸餾水介質(zhì)，4h）0稱取原始粉料成分設(shè)計烘干壓片二次球磨（蒸餾水介質(zhì)，6h）0預燒（850176。C，2h）0燒結(jié)（1200176。C1275176。C，2h）0排膠（550176。C，4h）極化（120176。C，3kv/mm，10min）0燒滲銀極（550176。C，30min）0 樣品的表征方法 樣品的密度測定采用壓電陶瓷材料體積密度測量方法測定陶瓷的密度。體積密度是指單位體積物質(zhì)的質(zhì)量。其測量原理通過試樣的質(zhì)量和體積來確定，根據(jù)阿基米德原理，用排水法測定體積，用精密天平稱量樣品質(zhì)量。具體步驟如下：（1）將樣品在烘箱內(nèi)烘干后恒重，在精密電子天平上稱取干燥后的試樣，即試樣空氣中重量m1（干重）。 （2）抽氣法排除試樣氣孔中的空氣：將試樣放入容器并安置于抽真空裝置中，保持20min后取出。（3）從水中取出試樣用濕毛巾小心擦去表面多余的液滴,不能把表面氣孔中的液體吸出，立即稱出在空氣中的飽和重量m2,然后將試樣輕輕放入電子天平的吊藍中，同時浸沒在水中稱試樣的浮量m3。體積密度ρ=ρ水m1/(m2m3) 其中ρ水為室溫下蒸餾水密度 X射線衍射分析（XRD）X射線晶體結(jié)構(gòu)分析是X射線測試應(yīng)用最廣泛的一種，它主要研究晶體中原子的排列方式和原子面之間的距離。X射線衍射儀是利用衍射原理，精確測定物質(zhì)的晶體結(jié)構(gòu)，織構(gòu)及應(yīng)力，精確的進行物相分析、定性分析、定量分析，廣泛應(yīng)用于冶金、化工、科研、航空航天、材料生產(chǎn)等領(lǐng)域，它的實驗方法簡