铌镁酸铅-钛酸铅压电陶瓷的制备及其铁电性能研究

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铌镁酸铅基铁电陶瓷是一类重要的功能陶瓷,其优异的压电性能、电致伸缩性能、可观的介电常数以及相对低的烧结温度使其成为新一代压电元器件、高性能致动器和高效换能器的理想材料,是当今国际电介质研究最引人注目的领域。该系铁电陶瓷在目前的研究过程中仍存在电致伸缩应变量小,温度稳定性差,压电系数还有待提高等问题。  本文以(1-x)Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-xPbTiO3(简称PMN-PT)陶瓷体系为研究对象,采用铌铁矿预合成法成功制备出了纯钙钛矿相的PMN-PT陶瓷,并对其相组成、显微结构进行了分析与表征。分别研究了组分变化、烧结温度以及退火处理对该系陶瓷相关铁电性能的影响,探讨了A位掺杂(Ba2+掺杂)对(1-x)PMN-xPT陶瓷体系和B位掺杂(Mn4+和Cr3+掺杂)对0.7PMN-0.3PT陶瓷相关铁电性能的影响,并以提高PMN-PT陶瓷的电致伸缩温度稳定性为目的,研究了退火和掺杂对其温度稳定性的影响。  研究结果表明:1)PMN-PT陶瓷的准同型相界(MPB)位于PT含量为0.3mol附近,此时赝立方相与四方相共存。2)随着PT含量的增加,陶瓷在外电场驱动下铁电畴经历了微畴→亚微畴→不规则宏畴→规则宏畴等一系列演变,并逐渐由弛豫型铁电体向正常铁电体过渡,MPB处陶瓷具有最大的εmax值和最大的电致应变量,0.9PMN-0.1PT组分显示出了优异的电致伸缩性能。3)PMN-PT的最佳烧结温度随PT含量的增加而升高。4)PT含量远低于0.3mol,陶瓷相关铁电性能对烧结温度很敏感。PT含量等于0.3mol,陶瓷性能受烧结温度的影响较小。PT含量远大于0.3mol,烧结温度越高,陶瓷的铁电介电性能越好。5)对组分在0.1molPT附近的PMN-PT陶瓷进行A位Ba2+掺杂,发现掺杂会减小陶瓷的电滞损耗及平均居里温度,并降低d33值。6)在0.7PMN-0.3PT试样中掺入不同含量的MnO2,显著增大了陶瓷的烧成致密度和平均晶粒直径,同时电滞及介电损耗大大降低,d33值提高。但是,掺杂量不宜超过1mol%,否则会恶化材料性能。7)在0.7PMN-0.3PT陶瓷中掺入不同含量的Cr2O3,掺杂量为0.4mol%时陶瓷具有最佳的相关铁电性能,掺杂量应小于1mol%,否则陶瓷的相关铁电性能将严重恶化。8)Mn4+和Cr3+对0.7PMN-0.3PT陶瓷的铁电-顺电相变具有抑制作用,因此适当的掺杂量可以提高该系陶瓷的电致伸缩温度稳定性。
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