PMN-PT和BNT壓電陶瓷晶粒定向控制制備.pdf

1、(1-x)Pb(Mgm1/3Nb2/3)O3-xPbTiO3(PMN-PT)是一種重要的弛豫型鐵電材料，在多層陶瓷電容器及新型電致伸縮器件方面有著巨大的應(yīng)用前景。當(dāng)PT的摩爾含量為30-35％時，PMN-PT壓電陶瓷中存在三方-四方準(zhǔn)同型相界，從而使得性能優(yōu)異。雖然PMN-PT單晶具有十分優(yōu)異的性能，然而PMN-PT陶瓷的性能卻遠(yuǎn)遠(yuǎn)不及單晶。當(dāng)壓電陶瓷中晶粒在極化方向上定向有序排列后，由于極化效率的增加，性能也隨之得到改善。模板晶粒生長

2、(TGG)技術(shù)可以使陶瓷晶粒在燒結(jié)過程中定向生長，從而改善陶瓷材料的性能。在TGG技術(shù)過程中，最為關(guān)鍵的是對基體顆粒的尺寸、模板晶粒的外形、模板晶粒在基體顆粒中的含量以及燒結(jié)工藝進(jìn)行精確的控制。根據(jù)TGG技術(shù)的工藝要求和模板晶粒的選擇原則，論文以0.675PMN-0.325PT粉體為基體顆粒，片狀SrTiO3晶粒為模板晶粒，采用模板晶粒生長(TGG)技術(shù)定向控制制備高取向的PMN-PT壓電陶瓷。另外，論文以(Bi0.5Na0.5)TiO

3、3(BNT)粉體為基體顆粒，片狀SrTiO3晶粒為模板晶粒，采用TGG技術(shù)定向控制制備高取向的BNT壓電陶瓷。
　　 采用二次合成法制備0.675PMN-0.325PT粉體。第一步，以堿式碳酸鎂(以MgO計)和Nb2O5為原料，在1000℃下保溫2 h合成MgNb2O6粉體。第二步，以MgNb2O6、Pb3O4和TiO2為原料預(yù)燒合成0.675PMN-0.325PT粉體，并研究了預(yù)燒溫度和保溫時間對粉體物相和尺寸的影響。在最佳工

4、藝條件即700℃保溫0.5 h下，預(yù)燒合成得到的粉體為單一鈣鈦礦結(jié)構(gòu)的固溶體，平均粒徑d50為0.181μm。
　　 采用兩步熔鹽法合成SrTiO3片狀晶粒。第一步，以SrCO3和TiO2為原料，NaCl作為熔鹽，在1280℃下保溫6 h合成Sr3Ti2O7前驅(qū)體。第二步，以Sr3Ti2O7為前驅(qū)體，NaCl作為熔鹽，在1230℃下保溫4 h合成片狀SrTiO3晶粒。最后，通過過篩處理使得片狀SrTiO3晶粒的尺寸在30～50μ

5、m之間，寬厚比約為10:1。
　　 以二甲苯/異丙醇為溶劑，span-80為分散劑，PVB為粘結(jié)劑，鄰苯二甲酸二丁酯(DBP)為塑化劑配制PMN-PT流延漿料，并且研究了不同配方的漿料對流延薄膜、素坯以及陶瓷試樣的影響。當(dāng)固體含量為20vol％，分散劑含量為3 vol％，粘結(jié)劑和塑化劑的含量為5wt％時，PMN-PT漿料的粘度大約為1000厘泊，通過流延法制備得到的素坯表面平整，燒結(jié)得到的陶瓷致密度較高。
　　 以二次合

6、成法制備得到的0.675PMN-0.325PT粉體為基體顆粒，以兩步熔鹽法合成的片狀SrTiO3晶粒為模板晶粒，采用TGG技術(shù)定向控制制備高取向PMN-PT壓電陶瓷。研究了不同工藝參數(shù)，包括模板晶粒含量，燒結(jié)溫度，升溫速率，保溫時間，MnO的摻雜以及過量Pb3O4的摻入等對PMN-PT陶瓷晶粒定向程度的影響，并且研究了極化條件，包括極化場強，極化時間等對高取向PMN-PT壓電陶瓷壓電性能的影響。在模板晶粒含量5 vol％、1230℃保溫

7、10 h條件下，最終得到的高取向壓電陶瓷的有序度較高為51.5％。MnO的摻雜降低了PMN-PT陶瓷的燒結(jié)溫度，減少了Pb組分的揮發(fā)，使得陶瓷試樣組分更接近化學(xué)計量比。在1170℃保溫10 h條件下，在MnO摻雜量為0.2wt％時，PMN-PT壓電陶瓷的有序度最高，達(dá)到54.5％，同時在極化場強為3 kV/mm，極化時間為15 min下，摻雜0.2wt％MnO的高取向PMN-PT壓電陶瓷的壓電性能最佳，壓電常數(shù)以d33為450 pC/N

8、，高于普通無定向PMN-PT壓電陶瓷的d33(310 pC/N)，介電常數(shù)εT33/ε0為4396，介電損耗tanδ為0.41％。過量Pb3O4的摻入不僅不能提高試樣的有序度，而且惡化試樣的壓電和介電性能。通過TEM和SEM分析，表明SrTiO3晶粒和PMN-PT晶體生長層之間有互相擴(kuò)散的現(xiàn)象發(fā)生，并且確定在以SrTiO3為模板晶粒制備高取向PMN-PT壓電陶瓷的體系中，PMN-PT粉體在片狀SrTiO3晶粒的誘導(dǎo)下，在其表面沿著[00

9、1]方向外延生長成PMN-PT晶體。
　　 以BNT粉體為基體顆粒，片狀SrTiO3晶粒為模板晶粒，采用TGG技術(shù)定向控制制備高取向的BNT壓電陶瓷。研究了過量Bi2O3的摻入、燒結(jié)溫度以及摻MnO對BNT壓電陶瓷晶粒定向程度的影響。隨著燒結(jié)溫度逐漸提高，BNT試樣有序度逐漸提高，1190℃是合適的燒結(jié)溫度。加入過量Bi2O3后，BNT試樣有序度相對提高，但是過多量Bi2O3的摻入會降低BNT試樣的有序度。通過XRD分析得到過量