锆钛比和烧结温度对PMS-PZT压电陶瓷性能的影响

刘长流 张珍宣 张元松 赖炜 张玉芬

摘 要：本文采用传统固相烧结法制备Pb0.995Sr0.005（ZrxTi1-x）0.96（Sb2/3Mn1/3）0.04O3压电陶瓷，研究了锆钛比和烧结温度对该体系的压电陶瓷性能的影响，并测试其居里温度。结果表明：陶瓷的压电性能随Zr/Ti减小先升高后下降，当Zr/Ti为50.5/49.5时，该体系的压电性能取得最大值;压电陶瓷的压电性能随烧结温度增加先升高然后下降，在1200℃烧结温度下，当Zr/Ti=50.5/49.5时，获得最优的综合性能，此时εT33/ε0=1628，tanδ=0.45%，Kp=0.73，d33=409pC/N，Qm=700;在所研究的组成范围内，随着 Zr/Ti 的减小，介电常数温度图谱峰值向高温移动，当Zr/Ti=50.5/49.5时，介电峰值对应的居里温度为325℃。

关键词：压电陶瓷;锆钛比;烧结温度;压电介电性能;居里温度

1 前 言

近年来，随着经济社会的发展，压电陶瓷雾化片因具有体积小、重量轻、无触点、无噪音、功耗低、高可靠、长寿命、可以适应恶劣的工作环境等特点，逐渐被广泛应用于环境工程、医疗器械以及家用电器等领域。压电陶瓷超声雾化片用材料属于大功率硬性压电陶瓷材料。对这种材料的要求是[1]：高压电常数，高机电耦合系数 Kp，低介质损耗和高的机械品质因数，较高的机械强度以及耐疲劳等特点;结合上述特点并通过查阅相关的文献资料[2-4]，本实验选用锑锰-锆钛酸铅体系为研究对象，试验了不同锆钛比和烧结温度对压电陶瓷性能的影响，以期获得性能优良的适合制备超声雾化片的大功率压电陶瓷材料。

2 试 验

2.1 试验材料

试验中所选用的原料为Pb3O4、TiO2、ZrO2、 SrCO3、MnO2、Sb2O3。本试验以Pb0.995Sr0.005（ZrxTi1-x）0.96（Sb2/3Mn1/3）0.04O3为研究对象，其中 0.495

2.2 制备工艺

试样采用普通压电陶瓷工艺制备。将氧化物粉料按化学计量比称量，按氧化锆球：原料：去离子水的重量比依次为2：1：0.7混合，以480 r/min行星球磨机球磨4 h。干燥后过筛，在氧化铝坩埚中980℃预烧，保温2 h。合成后的粉末按氧化锆球：原料：去离子水的重量比为2：1：0.6依次混合，以480 r/min行星球磨机球磨6 h。烘干过筛后的瓷料添加质量分数5%石蜡混合均匀，20  MPa下预压，然后破碎过60目筛。150 MPa下加压成型，制成Φ11.5 mm×1.0 mm的坯件，以1℃/min升温至800℃下保温1 h进行排塑，在1140 ～ l220℃烧结，保温2 h，烧好的陶瓷片经清洗后被覆银电极，烧银温度 800℃，最后在 110 ～ 120℃的硅油中极化30 min，极化场强为 3.5 ～ 4 KV/mm，极化好的样品静置24 h后测量。

2.3 样品测试

采用频率阻抗分析仪4194A测量谐振频率、反谐振频率以及相应的等效阻抗，通过计算求出机电耦合系数Kp和机械品质因数Qm。采用中科院声学所研制的ZJ-3AN型准静态d33测量仪测试压电常数d33;电容 C和介质损耗tanδ采用 TH2617型测量仪，由电容计算出相对介电常数 εT33/ε0。采用εr-T曲线方法测试各组成的居里温度。

3 结果与讨论

3.1 Zr/Ti对锑锰锆钛酸铅压电性能的影响

一般在室温状态下，钙钛矿型铁电陶瓷的组成主要有两种相结构，分别是四方铁电相（FT）和三方铁电相（FR）。对于锆钛酸铅压电陶瓷来说，随着Zr/Ti 含量的变化，两相结构之间发生转变，两相比例也会随之变化[5-8]，从而导致压电陶瓷的压电、介电性能也发生显著变化。因此，研究不同Zr/Ti 对压电陶瓷压电介电性能的影响非常重要。本文以Pb0.995Sr0.005（ZrxTi1-x）0.96（Sb2/3Mn1/3）0.04O3为研究对象，试验了Zr/Ti 为51.5/48.5、51/49、50.5/49.5、50/50、49.5/50.5时，锑锰锆钛酸铅压电陶瓷的压电介电性能。试验预烧温度为980℃，保温时间为2 h，烧结温度为1200℃，保温时间为2 h。

图 1、图 2和图 3给出了压电陶瓷样品的性能参数随锆钛比变化的关系。从图中可以看出，随锆钛比的减小，试样的相对介电常数εT33/ε0、机电耦合系數Kp和压电常数d33先增加后下降，各性能参数均出现一最大值，其中介电常数、机械品质因数Qm及机电耦合系数Kp均在 50.5/49.5 处取得最大值。这表明在 50.5/49.5 附近，材料的结构处于三方-四方共存的状态，并处于准同型相界附近。而介质损耗随着锆钛比的减小而减小，这是由于随着锆钛比的减小，试样的组成由三方相向四方相转变，三方相结构的活动性较四方相大，且更易极化，从而导致介质损耗随锆钛比的减小而减小。机械品质因数Qm随着锆钛比的减小先减小后增加然后再下降，这与一般锆钛酸铅压电陶瓷的变化在准同型相界附近出现最小值的规律不同，在本实验中，Qm值在相界附近取得极大值，这可能是因为掺杂 Mn2+作用的影响。Mn2+进入到晶格结构中将产生氧空位，引起晶胞收缩歪曲，抑制电畴的转向，起到硬性添加剂的作用，从而减小电畴运动的内摩擦，增大Qm值。

在准同型相界附近，材料表现出优良的压电性能，其原因有两点[9-11]：第一，在相界处，微观组织结构中的空位及缺陷较多，在外电场作用下，电畴易于转向。第二，在相界处，四方菱方两种晶体结构的能量很接近，并且在外界条件变化时，则发生一种结构的扩大，另一种结构的缩小，正是这种结构的活跃性使得相界附近组成的陶瓷具有压电性能的极大值。