鈧酸鉍-鈦酸鉛高溫壓電陶瓷的性能優(yōu)化及其器件應(yīng)用.pdf

1、壓電材料作為一類能夠直接實(shí)現(xiàn)機(jī)械能和電能有效轉(zhuǎn)換的功能電子材料，廣泛應(yīng)用于機(jī)械制造、電子通訊、軍事等領(lǐng)域，在力、熱、光、電、磁等功能轉(zhuǎn)換器件中具有無法替代的作用，擁有廣闊的應(yīng)用前景。壓電材料分為壓電單晶、壓電陶瓷、壓電高分子以及壓電復(fù)合材料等幾大類，其中壓電陶瓷因其優(yōu)異的壓電性能，豐富的組分可調(diào)性以及制備工藝簡(jiǎn)單，成本低等優(yōu)點(diǎn)一直占據(jù)著壓電材料的大部分市場(chǎng)份額。
　　近年來，隨著汽車制造、能源勘探和航空航天等領(lǐng)域的迅猛發(fā)展，壓電材

2、料的應(yīng)用環(huán)境受到了嚴(yán)峻的考驗(yàn)，如汽車內(nèi)燃機(jī)的電噴裝置，要求壓電材料在200℃甚至300℃以上的高溫環(huán)境下穩(wěn)定工作，石油勘探過程中，深井探測(cè)油壓等參數(shù)的壓力傳感器也對(duì)壓電材料提出了新的挑戰(zhàn)，航空航天領(lǐng)域的發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)情況檢測(cè)更是要求壓電材料在更高的溫度下工作，高溫壓電材料及其器件應(yīng)用的研究得到了前所未有的關(guān)注和重視。
　　目前廣泛使用的商用壓電材料以鋯鈦酸鉛(Pb(Zr,Ti)O3,簡(jiǎn)稱PZT)基壓電陶瓷為主，由于其成分和結(jié)構(gòu)的原因，

3、居里溫度只有360℃左右，而塊體壓電材料因其熱老化作用，正常使用的溫度范圍被限制在居里溫度的一半以下，傳統(tǒng)的PZT基壓電陶瓷無法在200℃以上的溫度環(huán)境下穩(wěn)定工作，尋求居里溫度高于400℃且具有優(yōu)異壓電性能的壓電材料成為日益增長(zhǎng)的工業(yè)生產(chǎn)的迫切需求。
　　2001年，Eitel等人報(bào)道了一種鉍系高溫壓電陶瓷體系，材料通式為Bi(Me)O3-PbTiO3,Me代表+3價(jià)態(tài)的離子或者離子基團(tuán)，如Sc+3、In+3、Yb+3等，該體系在

4、MPB組分處不僅具有優(yōu)異的壓電性能，并且保持了較高的居里溫度，引起了研究者們的廣泛關(guān)注，其中以BiScO3-PbTiO3(以下簡(jiǎn)稱BS-PT)壓電陶瓷最為矚目。BS-PT與PZT類似，同樣是具有鈣鈦礦結(jié)構(gòu)的二元固溶體，在其MPB組分PT含量64 mol％附近，該材料的壓電常數(shù)d33高達(dá)460 pC/N，與傳統(tǒng)的PZT基壓電陶瓷相當(dāng)，同時(shí)其居里溫度Tc保持在450℃左右，雖然BS-PT壓電陶瓷中Sc元素的價(jià)格在一定程度上制約了其大規(guī)模工業(yè)

5、生產(chǎn)，但在高溫壓電陶瓷領(lǐng)域，尤其是航空航天的應(yīng)用研究方面，BS-PT壓電陶瓷仍然受到廣大研究者們的密切關(guān)注。本文選擇BS-PT作為研究對(duì)象，從兩個(gè)方面出發(fā)實(shí)現(xiàn)BS-PT性能的優(yōu)化，一是在不降低其居里溫度的同時(shí)，盡可能的提高其壓電性能，二是在保證其居里溫度和壓電性能的同時(shí)減少Sc元素的用量，實(shí)現(xiàn)降低材料成本的目的。
　　根據(jù)BS-PT基壓電陶瓷的研究進(jìn)展發(fā)現(xiàn)，單元素?fù)诫s對(duì)材料性能的優(yōu)化略顯無力，而通過合理的復(fù)合離子取代Sc元素以及引

6、入第三元形成BS-PT基多元固溶體的研究方法可以實(shí)現(xiàn)對(duì)材料性能的綜合調(diào)控，從而獲得更為優(yōu)異的電學(xué)性能，這也是本文的研究重點(diǎn)之一。另外，復(fù)合離子和第三組元的含量對(duì)材料電性能的影響十分顯著，因此有必要了解其相關(guān)機(jī)理，對(duì)今后BS-PT基壓電陶瓷的性能調(diào)控給予指導(dǎo)作用，這是本文的研究重點(diǎn)之二。材料制備要與器件應(yīng)用相結(jié)合，本研究利用性能優(yōu)化后的BS-PT壓電陶瓷進(jìn)行高溫壓電驅(qū)動(dòng)器的設(shè)計(jì)與應(yīng)用研究，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)BS-PT基壓電陶瓷材料的高溫應(yīng)用，這是

7、本文的研究重點(diǎn)之三。本文的主要研究成果如下:
　　(1)系統(tǒng)研究了Pb(Sn1/3Nb2/3)O3改性對(duì)BiScO3-PbTiO3壓電陶瓷相結(jié)構(gòu)與電性能的影響。采用傳統(tǒng)固相反應(yīng)法分別制備了0.025PSN-BS-xPT和0.05PSN-BS-xPT壓電陶瓷體系，并對(duì)其準(zhǔn)同型相界附近的相結(jié)構(gòu)與電性能進(jìn)行了系統(tǒng)研究。0.025PSN-BS-xPT壓電陶瓷體系在準(zhǔn)同型相界x=0.62處電性能獲得最優(yōu)值，d33=523 pC/N，kp=5

8、4.6％，Pr=39.8μC/cm2,Ec=19.3 kV/cm，電致應(yīng)變?yōu)?.22％，逆壓電常數(shù)為734 pm/V，介電常數(shù)εT33=2078,介電損耗tanδ=0.055,同時(shí)保持其居里溫度在418℃;而0.05PSN-BS-xPT壓電陶瓷體系在準(zhǔn)同型相界x=0.61處電性能獲得最優(yōu)值，d33=555 pC/N，kp=58.9％，Pr=41.2μC/cm2,Ec=19.9kV/cm，電致應(yīng)變?yōu)?.25％，逆壓電常數(shù)為833 pm/V

9、，介電常數(shù)εT33=2095,介電損耗tanδ=0.065,同時(shí)保持其居里溫度在408℃。通過對(duì)比0.025PSN-BS-xPT和0.05PSN-BS-xPT壓電陶瓷體系，發(fā)現(xiàn)PSN含量的增加引起MPB向低PbTiO3含量方向移動(dòng)，XRD衍射峰向低角度偏移，晶格常數(shù)變大，但是卻進(jìn)一步抑制了晶粒生長(zhǎng);介電溫譜測(cè)試表明，PSN的引入引起體系出現(xiàn)介電彌散現(xiàn)象，降低了體系的居里溫度，同時(shí)PSN含量的增加進(jìn)一步加劇了介電彌散程度和居里溫度的降低;

10、材料的電性能方面，微量PSN的引入優(yōu)化了BS-PT的壓電鐵電性能，同時(shí)隨著PSN含量的增加，性能進(jìn)一步提高;PSN-BS-PT壓電陶瓷具有非常優(yōu)異的壓電性能(d33在520 pC/N以上，kp在0.52以上)，明顯優(yōu)于商用PZT陶瓷，同時(shí)壓電常數(shù)d33在褪火溫度達(dá)到300℃時(shí)仍有室溫?cái)?shù)值的80％以上，完全滿足300℃下的使用需求，遠(yuǎn)高于PZT基壓電陶瓷的使用極限200℃，是高溫壓電應(yīng)用的理想材料;
　　(2)系統(tǒng)研究了Pb(Cd1

11、/3Nb2/3)O3改性BiScO3-PbTiO3壓電陶瓷準(zhǔn)同型相界附近的相結(jié)構(gòu)與電性能。綜合Pb(Sn1/3Nb2/3)O3改性BiScO3-PbTiO3壓電陶瓷的經(jīng)驗(yàn)，向BS-PT中引入微量的具有高相轉(zhuǎn)變溫度的弛豫結(jié)構(gòu)因子Pb(Cd1/3Nb2/3)O3,形成0.05PCN-BS-xPT壓電陶瓷體系，第三元組分PCN成功進(jìn)入BS-PT二元體系，形成了具有單一鈣鈦礦結(jié)構(gòu)的三元系壓電陶瓷固溶體，體系的MPB位于x=0.60處，相關(guān)電性能

12、取得最優(yōu)值，d33=505 pC/N，kp=55.9％，Pr=39.7μC/cm2,E=20.8kV/cm，電致應(yīng)變0.23％;隨著PT含量的增加，材料的居里溫度線性升高，介電彌散程度逐漸減弱，MPB位置處居里溫度保持在403℃，結(jié)合材料良好的溫度穩(wěn)定性，0.05PCN-BS-xPT壓電陶瓷有望實(shí)現(xiàn)高溫壓電的應(yīng)用;
　　(3)系統(tǒng)研究了Pb(Mg1/3Nb2/3)O3改性Bi(Sc3/4In1/4)O3-PbTiO3壓電陶瓷準(zhǔn)同型

13、相界附近的相結(jié)構(gòu)與電性能。Bi(Sc3/4In1/4)O3-PbTiO3壓電陶瓷在很大程度上減少了Sc元素的用量，同時(shí)保持其居里溫度在457℃，但是壓電性能降低到201pC/N，在此基礎(chǔ)上引入微量的Pb(Mg1/3Nb2/3)O3,形成0.02PMN-BSI-xPT壓電陶瓷體系，相關(guān)電性能在MPB(PT含量58 mol％)處取得最優(yōu)值，d33=403 pC/N，kp=45.1％，Pr=36.4μC/cm2,E=24.7 kV/cm，其壓

14、電常數(shù)比BSI-PT體系提高了一倍，居里溫度仍保持在421℃，同時(shí)具有非常良好的溫度穩(wěn)定性，相比于BS-PT體系，性能雖然有所降低，但是Sc元素用量減小，成本降低，具有大規(guī)模工業(yè)生產(chǎn)的潛力;
　　(4)系統(tǒng)研究了復(fù)合離子(Ni1/2Zr1/2)3+取代Sc元素對(duì)BiScO3-PbTiO3壓電陶瓷相結(jié)構(gòu)與電性能的影響。綜合Bi(Ni1/2Zr1/2)O3-PbTiO3和BiScO3-PbTiO3兩種二元體系的研究現(xiàn)狀，設(shè)計(jì)了xBi(

15、Ni1/2Zr1/2)O3-(1-x-y)BiScO3-yPbTiO3三元體系，根據(jù)不同Bi(Ni1/2Zr1/2)O3含量時(shí)固溶體的MPB位置，繪制了該三元體系室溫下的相圖，并對(duì)Bi(Ni1/2Zr1/2)O3改性BiScO3-PbTiO3壓電陶瓷的相結(jié)構(gòu)與電性能進(jìn)行系統(tǒng)研究。XRD分析表明，第三元組分BNZ成功進(jìn)入BS-PT二元體系，形成了具有單一鈣鈦礦結(jié)構(gòu)的三元系壓電陶瓷固溶體，隨著BNZ含量的增加，衍射峰向高角度偏移，晶格常數(shù)變

16、小，陶瓷的晶粒尺寸呈現(xiàn)增大的趨勢(shì);引入BNZ后，材料體系出現(xiàn)微弱的介電彌散現(xiàn)象，同時(shí)隨著BNZ含量的增加，體系的居里溫度略有降低;利用BNZ改性的BS-PT壓電陶瓷，減少了Sc元素的用量，當(dāng)BNZ含量為0.025時(shí)，壓電常數(shù)d33=480 pC/N，機(jī)電耦合系數(shù)kp=58.2％，同時(shí)保持了高達(dá)439℃的居里溫度，綜合性能超越了未改性的BS-PT壓電陶瓷，隨著BNZ含量的增加，Sc元素的用量進(jìn)一步減少，材料成本得以降低，但是壓電性能仍然和

17、BS-PT相當(dāng)，居里溫度也保持在410℃以上，同時(shí)具有非常好的溫度穩(wěn)定性，是高溫壓電應(yīng)用的理想材料。
　　(5)利用0.05PSN-0.34BS-0.61PT高溫壓電陶瓷研制了一種圓盤式叉指驅(qū)動(dòng)器，通過在圓盤表面印刷叉指電極的方法將壓電常數(shù)d33充分利用，將圓盤中心打通以釋放積聚的應(yīng)力更是點(diǎn)睛之筆，其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)新穎、合理，為壓電驅(qū)動(dòng)器的設(shè)計(jì)提供了一種新的思路;通過對(duì)圓盤式叉指驅(qū)動(dòng)器系統(tǒng)的研究發(fā)現(xiàn)，在尺寸固定的情況下，驅(qū)動(dòng)器的位移與驅(qū)