PSMS-PNW-PZT压电陶瓷及其低温烧结研究

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为得到在较低的烧结温度下具有高介电系数,高机电耦合系数Kp,较高的压电常数d33和机械品质因数Qm,及较低的介电损耗tanδ的压电陶瓷材料,以应用于大功率压电陶瓷变压器,本文从陶瓷的制备工艺、材料的组分设计以及低温烧结三个方面对PSMS-PNW-PZT压电陶瓷材料进行了研究。研究了Zr/Ti、合成温度以及烧结温度的变化对四元系压电陶瓷材料Pb0.95Sr0.05[(Mn1/3Sb2/3)0.06(Ni2/3W1/3)0.02(ZrxTi1-x)0.92]O3的相结构、微观结构和机电性能的影响。结果表明,Zr/Ti=50/50,合成温度为900℃,烧结温度为1175℃时压电陶瓷材料性能最佳。此时,ε33T/ε0=2477,d33=359pc/N,Kp=0.57,tanδ=0.8%。为进一步提高材料的综合性能,研究了Ni/W比和烧结温度对四元系压电陶瓷材料PSMS-PNW-PZT的相结构、显微组织形貌和机电性能的影响。结果表明,Ni/W=1/2时压电陶瓷材料的综合性能最优,此配方下的时压电陶瓷材料在烧结温度为1150℃时可取得最佳性能:ε33T/ε0=1898,d33=316pc/N,tanδ=0.4%,Qm=2688,Kp=0.54。为了降低烧结温度,减少PbO的高温挥发,预制了LiBiO2粉体作为烧结助剂加入到Pb0.95Sr0.05[(Mn1/3Sb2/3)0.06(Ni1/3W2/3)0.02(Zr0.50Ti0.50)0.92]O3主晶相中。研究发现,当烧结温度为1050℃时,掺杂0.3wt.% LiBiO2的压电陶瓷材料性能最佳,此时ε33T/ε0=1447,d33=201pc/N,tanδ=0.5%,Qm=1102,Kp=0.41。为了改善加入LiBiO2引起的性能恶化,使压电陶瓷在降低烧结温度的同时能够保证其各项优异性能,在掺杂0.3wt.% LiBiO2的基础上加入了CuO。结果表明,加入CuO可大大改善LiBiO2的加入所导致的压电陶瓷材料性能的恶化,达到了预期目标。在1050℃下烧结,CuO掺加量为0.2wt.%时,压电陶瓷材料的综合性能最好。此时,ε33T/ε0=1838,d33=273pc/N,tanδ=0.9%,Qm=1993,Kp=0.50。
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