PZT95/5铁电陶瓷的掺杂改性研究

采用固相烧结法制备锆钛酸铅95/5(PZT95/5)材料,以“相同化合价,不同原子半径;相近原子半径,不同化合价”的原则,选择了碱金属族、碱土金属族元素的碳酸盐以及Fe₂O₃、SiO₂、Nb₂O₅、WO₃等作为掺杂物分别对其进行掺杂改性.研究了掺杂对材料介电性能、极化性能和低温-高温铁电相的相变温度的影响.发现受主掺杂使得材料的介电常数降低,施主掺杂使得材料的介电常数提高;剩余极化随着掺杂离子的化合价增大而增大;制备得到了低温-高温铁电相相变在15℃的铁电材料,在实际应用上有重要意义.     

多孔PZT95/5铁电陶瓷的机械性能和铁电性能研究

采用添加造孔剂的方法制备多孔锆钛酸铅(PZT95/5)铁电陶瓷, 研究了孔结构包括孔隙率、孔径及孔形状对多孔PZT95/5陶瓷机械性能和电性能的影响及机理, 并揭示多孔PZT95/5陶瓷微观结构、机械性能和铁电性能的内在联系。研究表明: 孔隙率的增加降低了多孔PZT95/5陶瓷的声阻抗, 改善了陶瓷与封装材料的声阻抗匹配. 孔隙率增加, 多孔PZT95/5陶瓷的屈服应力和剩余极化强度降低, 矫顽场强增大。孔结构对多孔PZT95/5陶瓷屈服应力的影响可由应力集中理论解释; 多孔PZT95/5陶瓷剩余极化强度随孔结构的变化可用内应力结合空间电荷理论加以解释。     

低温制备Pb(Zr0.52Ti0.48)O3铁电薄膜及其性能研究

采用脉冲激光沉积技术（PLD）在（100）p-Si衬底上,低温淀积、快速退火成功地制备了具有完全钙钛矿结构的多晶PZT铁电薄膜,所制备的PZT铁电薄膜致密、均匀,表现出良好的介电和铁电性能,其介电常数和介电损耗100kHz下分别为320和0.08,剩余极化Pr和矫顽场Ec分别为14μC/cm^2和58kV/cm,＋5V电压下漏电流密度低于10^-7A/cm^2。10^7次极化反转后剩余极化仅下降10％,具有较好的疲劳特性。     

钛酸铅陶瓷的介电和极化翻转特性研究

以水热纳米粉为前驱粉料,采用传统烧结工艺在950℃制备了致密性高、具有亚微米尺寸晶粒的钛酸铅(PbTiO3)陶瓷,并对其介电温谱和压电响应特性进行了系统的研究。结果表明,PbTiO3陶瓷在低温下的相对介电常数与测试频率无关,在室温以上,随着频率的增加,介电峰值向低温方向移动;压电力显微镜研究结果显示PbTiO3陶瓷中具有明显的微区极化翻转,表明具有较好的铁电性能。     

PZT 95/5-2Nb铁电陶瓷脉冲换能电输出

讨论了PZT 95/5-2Nb铁电陶瓷在冲击波压缩下的释放电性能,并利用PZT 95/5-2Nb铁电陶瓷设计了三种脉冲电源,分别实现了恒定电流、台阶电流和恒定电压等不同条件的电能输出.实验结果表明,PZT 95/5-2Nb铁电陶瓷可适用于多种性能的脉冲能源,具有电流输出幅值和波形易于控制,电流脉冲上升前沿陡,电源体积小等特点,具有广阔的应用前景.     

A位复合铁电陶瓷Bi0.5(Na0.82K0.18)0.5TiO3-BiCrO3的介电弛豫

采用固相反应法制备了A位复合铁电陶瓷(1-x)Bi_0.5(Na_0.82K_0.18)_0.5TiO₃-xBiCrO₃(BNKT-BCx). 研究了该陶瓷在室温至500℃温度范围内的介电性能. 结果表明该陶瓷的介电温谱存在两个介电反常峰和一个介电损耗峰, 低温介电反常峰温度附近具有明显的介电常数频率依赖性, 但居里峰随频率增加基本不变, 与典型弛豫铁电体的特征不同. 将弛豫铁电体分为本征弛豫和非本征弛豫铁电体, 通过分析极化前和极化后陶瓷的介电温谱, 发现该体系低温介电反常峰温度附近的介电频率依赖性为空间电荷和缺陷偶极子极化引起的非本征弛豫.     

锰掺杂Sr2-xCaxNaNb5O15（x=0.05～0.35）无铅压电陶瓷微观结构与电学性能的研究

采用传统陶瓷制备工艺制备了Mn掺杂的钨青铜结构无铅压电陶瓷Sr2-xCaxNaNb5O15+ywt%MnO2(x=0.05～0.35,y=0,0.3,0.5)(SCNN-M),并对SCNN-M陶瓷相组成、微观结构及介电、压电、铁电性能进行了研究.分析表明:Ca2+已进入Sr2NaNb5O15晶格之中形成固溶体;掺杂适量的锰,能够得到致密、单一的钨青铜结构陶瓷,有效降低烧结温度,促进晶粒长大,显著提高陶瓷的介电、压电、铁电性能.当x=0.05,添加0.5wt%的MnO2时,陶瓷具有较好的介电、压电和铁电性能:介电常数εr=2123,介电损耗tanδ=0.038,压电系数d33=190pC/N,机械品质因数Qm=1455,平面伸缩振动机电耦合系数Kp=13.4%,厚度伸缩振动机电耦合系数Kt=36.5%,剩余极化强度Pr=4.76μC/cm2,自发极化强度Ps=9.36μC/cm2,矫顽场Ec=12.68kV/cm,居里温度Tc=260℃.     

Gd掺杂对PZT薄膜介电性能及极化行为的影响

采用sol-gel法在Pt/Ti/SiO₂/Si衬底上制备出高度(100)择优取向的Gd掺杂PZT薄膜(简写为PGZT); 介电测试结果表明, 1mol%Gd掺杂的PZT薄膜介电常数最大, 2mol%Gd掺杂PZT薄膜与未掺杂薄膜的介电常数相差不大, Gd掺入量>2mol%时, 薄膜的介电常数下降; 薄膜的不可逆极化值呈现与介电常数相同的变化趋势, 而可逆极化值变化较小. 在弱电场下(低于矫顽场E_c), 用瑞利定律分析薄膜介电常数随电场强度的变化规律, 1mol%Gd掺杂的薄膜瑞利系数α最大, 说明薄膜中缺陷的浓度最低. 1mol%Gd掺杂的薄膜介电和铁电性能的改善与Gd³⁺在PZT晶格中的占位情况有关.     

锆钛酸铅压电陶瓷元件高温老化行为及其微观机制

长时高温作用会显著加速压电陶瓷元件电学性能的退化，极大地影响压电元件使用寿命。本工作在85、125和150℃下对PZT压电陶瓷元件进行长时老化处理，研究并分析了高温老化过程中PZT陶瓷元件电学性能退化规律及其微观机制。压电常数与介电常数随老化周期延长均退化明显，初期退化速率较慢，后期退化加快并逐渐趋于稳定，介电常数和压电常数退化均符合Boltzmann变化规律。85℃和125℃下老化49 d时，元件介电常数退化率达到最大，分别为31.01%和36.48%;压电常数退化率达到最大，分别为11.57%和19.02%。PZT压电元件介电性能退化主要由表面Ag电极内结构退化、Ag/PZT界面弱化及PZT陶瓷退极化三方面所贡献，其中界面弱化和陶瓷退极化占主导。长时高温作用促使Ag电极逐渐缓慢氧化生成Ag₂S,晶粒收缩产生大量孔洞，导致Ag电极致密度下降和Ag/PZT界面分层，降低了Ag/PZT的电容率；此外，长时高温作用加速了PZT陶瓷电畴转向无序状态，促进氧空位位移钉扎电畴壁，导致了PZT压电元件介电性能退化。     

共沉淀时间对BiFeO_3粉体制备及陶瓷性能的影响

控制Bi与Fe摩尔比为Bi:Fe=1.03:1,在其它实验条件不变的情况下,研究共沉淀时间对前驱体的制备及其陶瓷块材性能的影响。结果表明,共沉淀时间为95 h时得到纯相BiFeO_3粉体且粒度分布均匀;采用放电等离子烧结(spark plasma sintering,SPS)的方法制备出高密度BiFeO_3(相对密度98.3%)陶瓷块材并测试了它们的介电性能和铁电性能。结果表明在频率为30 MHz时,样品介电常数ε'最大为106.5,介电损耗tanδ最小为0.006,并在室温下检测到了饱和的电滞回线,饱和极化强度为0.4μC/cm2。     

Composition and temperature dependence of the dielectric, piezoelectric and elastic properties of pure PZT ceramics

Pure (undoped) piezoelectric lead zirconate titanate (PZT) ceramic samples at compositions across the ferroelectric region of the phase diagram were prepared from sol-gel-derived fine powders. Excess lead oxide was included in the PZT powders to obtain dense (95-96% of theoretical density) ceramics with large grain size (>7 mum) and to control the lead stoichiometry. The dielectric, piezoelectric, and elastic properties were measured from 4.2 to 300 K. At very low temperatures, the extrinsic domain wall and thermal defect motions freeze out. The low-temperature dielectric data can be used to determine coefficients in a phenomenological theory. The extrinsic contribution to the properties can then be separated from the single-domain properties derived from the theory.     

多孔PZT95/5铁电陶瓷材料研究进展

基于铁电材料冲击波去极化效应的高功率脉冲电源在国防和高新技术领域具有重要应用。PZT95/5铁电陶瓷是目前铁电体高功率脉冲电源应用的理想材料。近年来, 多孔PZT95/5铁电陶瓷被发现具有更优异的综合性能而引起广泛关注。本文概述了多孔PZT95/5铁电陶瓷在微结构与性能调控、冲击波加载下的响应行为以及抗冲击损伤机制等方面的最新进展。研究发现, 具有合适气孔率和气孔分布的多孔PZT95/5铁电陶瓷具有优异的抗冲击损伤和耐电击穿性能; 多孔脆性材料中破碎介质的“滑移与转动”变形机制增强了材料的塑性变形, 从而提高了多孔材料的抗冲击损伤性能。最后, 简要介绍了BNT基无铅铁电陶瓷以及PIN-PMN铁电单晶在高功率脉冲电源方面应用的研究进展, 并对未来研究工作提出展望。     

Conduction analysis of Li2O doped 0.2[Pb(Mg1/3Nb2/3)]–0.8[PbTiO3–PbZrO3] ceramics fabricated by columbite precursor method

We have fabricated 0.2Pb(Mg_1/3Nb_2/3)O₃–0.8Pb(Zr_0.475Ti_0.525)O₃ [PMN–PZT] ceramics doped with various amounts of Li₂O (0, 0.05, 0.1, 0.2, 0.3 wt.%) using the columbite precursor method. The effects of Li-doping on the conduction behavior of PMN–PZT ceramics are discussed in relation to the low frequency dielectric dispersion and frequency domain measurement. The Li-doped PMN–PZT ceramics sintered at 950 °C showed a sufficient densification with large dielectric constant and low dielectric loss. The incorporation of Li⁺ ion in PMN–PZT ceramics led to an appreciable reduction in electrical conductivity and further enhanced the ferroelectric and piezoelectric properties. The activation energies of PMN–PZT + xLi₂O (x = 0, 0.05, 0.1, 0.2, 0.3 wt.%) ceramics calculated from ac conductivity measurement using the Arrhenius relation were 1.05, 1.25, 1.27, 1.38 and 1.41 eV, respectively. The conduction behavior is examined in the low frequency and high temperature region and the results are discussed in detail through crystal defect mechanism.     

铌镁酸铅-钛酸铅陶瓷介电与压电性能的研究

用二步合成法制备了（１－ｘ）Ｐｂ（Ｍｇ１／３Ｎｂ２／３）Ｏ３－ｘＰｂＴｉＯ３原料,并制成了纯钙钛矿结构压电陶瓷。研究三方－四主相界附近组份及工艺与性能的关系。材料以１２００℃附近保温１５０ｍｉｎ为佳。材料性能表明,有希望成为新型压电陶瓷。     

PZT95/5铁电陶瓷晶粒度对冲击波作用下击穿电压的影响

在气炮加载条件下,分别测试了两种晶粒度的PZT95/5铁电陶瓷样品在冲击波作用下的击穿电压,并采用Weibull分布分析了所获得数据.结果表明,PZT95/5铁电陶瓷在冲击波作用下的击穿电压分布可以用二参数Weibull分布模型描述,从击穿电压密度分布函数和失效率函数来看,晶粒度为2.5μm的PZT95/5样品的击穿电压分布优于晶粒度为7μm的PZT95/5样品击穿电压分布.     

Zn-Al共掺对0.95MgTiO3-0.05CaTiO3介电性能的影响

采用固相反应法制备了 (Mg_0.93Ca_0.05Zn_0.02)(Ti_1-xAl_x)O₃介质陶瓷.研究了Zn-Al共掺杂对0.95MgTiO₃-0.05CaTiO₃(95MCT)陶瓷介电性能的影响.结果表明：Zn-Al共掺杂的95MCT陶瓷的主晶相为MgTiO₃和CaTiO₃两相结构,Zn-Al共掺杂可以抑制中间相MgTi₂O₅的产生,同时,有第二相CaAl₂O₄出现;Zn-Al共掺杂能有效地降低95MCT陶瓷的烧结温度至1300℃,改善介电性能,并对介电常数温度系数具有调节作用.当 Zn²⁺掺杂量为0.02mol、Al³⁺掺杂量为0.02mol时, 在1300℃烧结2.5h获得最佳性能：ε_r =20.35, tgδ=2.0×106, α_c=1.78×106.     

Sm掺杂增强PZT基弛豫型铁电陶瓷压电性能研究

锆钛酸铅(PZT)基压电陶瓷是一类应用非常广泛的功能材料, 可应用于水声换能器、压电马达、医疗超声换能器以及声表面波滤波器等。通过改性提高PZT基压电陶瓷的压电性能一直是该领域的研究热点。本工作采用传统固相反应法制备了准同型相界(Morphotropic Phase Boundary, MPB)组分的Sm-0.25PMN-0.75PZT压电陶瓷, 并对其微观结构以及宏观性能进行了系统研究。研究结果表明：引入Sm³⁺可以增强压电陶瓷的局域结构异质性, 提升介电响应从而提高压电性能。当Sm³⁺引入过多时, 铁电极化的长程连续性被大面积打断, 压电性能下降。本实验中得到的最优组分压电陶瓷性能为：高压电系数d₃₃~824 pC/N, 高压电电压常数g₃₃~27.1×10^-3 m²/C和相对较高居里温度T_C~178 ℃, 电致应变在室温至150 ℃范围内低于5%, 有较好的温度稳定性, 是极具应用前景的高性能压电材料。     

纳米铌酸钾钠陶瓷的制备及性能

以新型溶胶-凝胶法制备的平均晶粒尺寸为30 nm的铌酸钾钠粉体为原料, 采用放电等离子体烧结工艺, 在烧结温度为900℃, 压力30 MPa, 烧结时间1 min的条件下, 制备得到纯正交相, 相对密度高达99%以上, 平均晶粒尺寸为40 nm的纳米铌酸钾钠陶瓷, 并对该陶瓷的相结构、微观形貌、介电性能和铁电性能进行了研究。结果表明, 与普通微米晶陶瓷不同, 纳米铌酸钾钠陶瓷的室温介电常数仅为341, 并且随温度变化不明显, 表现出明显的介电弛豫现象, 弥散因子γ为1.60, 并具有明显的电滞回线, 矫顽场强度为13.5 kV/cm, 剩余极化为1.5 μC/cm²。尺寸降低所引起的纳米铌酸钾钠陶瓷中晶界相所占的比例增大是其性能变化的主要原因, 并且可以推断, 如果铌酸钾钠陶瓷具有“临界尺寸”, 那么其值应该在40 nm以下。