A位掺杂对BF-PZT压电陶瓷性能的影响

2020-09-16张元松钟敏张静燕周民赖炜

中国陶瓷工业 2020年4期

关键词：钛酸电性能压电

张元松，钟敏，张静，燕周民，赖炜

张元松，钟敏，张静，燕周民，赖炜

(贵州振华红云电子有限公司，贵州贵阳 550018)

BF-PZT压电陶瓷；A位掺杂；介电和压电性能；介电弛豫特性

0 引言

锆钛酸铅(PbZrxTi1-xO3，PZT)是一种压电陶瓷材料，能够将机械能和电能互相转换。为获得更高性能的PZT压电陶瓷，可对PZT进行掺杂改性，形成铌镍酸铅—锆钛酸铅、铌镁酸铅—铌锌酸铅—锆钛酸铅、铌锑酸铅—铌镁酸铅—铌镍酸铅—锆钛酸铅等多元系的压电陶瓷。其广泛应用于压电发声器件、压电散热器、超声清洗、超声换能器和压电致动器等，并在医疗、航空、智能传感、军事打击、船舶以及民用等各个领域得到越来越多的运用[1-5]。其中，民用领域最为广泛，主要集中在压电电声、超声振动等器件上。随着智能家居的发展，对压电电声、超声振动等器件的性能要求也越来越苛刻，从而要求压电陶瓷具有更高的介电常数、压电常数、稳定性及机电耦合系数。

BF-PZT(BiFeO3-Pb(Zr,Ti)O3)体系通过B位掺杂BCN[6](Ba(Cu1/3Nb2/3)O3)、PMN[7](PbMn1/3Nb2/3)O3)等获得稳定性较好的压电陶瓷，并成功应用在压电变压器以及超声振动器件上，但是介电常数(≤2000)、压电常数(≤400 pC/N)以及机电耦合系数(kp≤0.60)较低，限制了BF-PZT体系的应用范围。本文采用传统固相烧结法制备了BF-PZT压电陶瓷材料，通过研究A位掺杂对该体系的介电、压电性能的影响，并得到高电压电高、平面机电耦合系数高的压电陶瓷，并广泛应用于压电电声、超声振动等器件。

1 实验

1.1 样品的制备

本文实验分两步进行：

(1) 不同Zr/Ti比例的研究

组分为：0.90Pb (Zr，Ti)O3-0.10BiFeO3，其中，Zr/Ti=1.20，1.22，1.24，1.26，1.28，1.30。

(2) A位掺杂量的研究

A位掺杂量是在确定出最好的Zr/Ti比基础上进行的，组成为：

0.90Pb1-xAx(Zr，Ti)O3-0.10BiFeO3，x=0.10，0.12，0.14，0.16，0.18；其中，A位掺杂的组分有：BaCO3：5—8 at%、SrCO3：3—6 at%、CaO：1—2 at%、MgO：1—2 at%。

上述配方采用一步固相烧结法制备样品。选用红丹(Pb3O4，≥99.8 %，分析纯)、碳酸锶(SrCO3，≥99.1 %，分析纯)、碳酸钡(BaCO3，≥99.1 %，分析纯)、氧化钙(CaO，≥99.5 %，分析纯)、三氧化二铋(Bi2O3，≥99.4 %，分析纯)、氧化镁(MgO，≥99.4 %，分析纯)、二氧化锆(ZrO2，≥99.0 %，分析纯)、二氧化钛(TiO2，≥99.6 %，分析纯)、三氧化二铁(Fe2O3，≥99.9 %，分析纯)粉体作为原材料，根据化学计量比计算，并在室温条件下称料，加入一定配比的锆球和去离子水，球磨6 h后，进行干燥过筛，粉料在1000 ℃下预烧2 h。预烧后进行二次球磨8 h后干燥，加入5 wt.%的聚乙烯醇造粒，在100 MPa压机中压制成Ф20×1.0 mm的生坯。生坯在1270 ℃下烧结2 h。烧结后的样品用Ф18 mm的尼龙网印银、750 ℃烘银，并在100 ℃的硅油内，按3 kv/mm极化20 min，静置24 h后进行压电性能、扫描、XRD、介电温谱等测试。

1.2 样品表征

其中，C为静电电容(单位：pF)。

2 实验结果与讨论

2.1 XRD衍射分析

0.10BF-0.90PZT体系不同Zr/Ti比制备样品的XRD衍射图谱见图1所示。

图1 不同Zr/Ti比样品的XRD图谱

图1的XRD图谱中每组样品的相结构均是钙钛矿结构，说明铁酸铋全部进入PZT结构中。当Zr/Ti>1.24时，在2θ=44o—46o范围内的XRD衍射呈现单峰，衍射峰为对应的三方相(200)面；当Zr/Ti≤1.24时，在2θ=44o—46o范围内的XRD衍射呈现双峰，衍射峰晶面对应的四方相(002)和(200)面；随着Zr/Ti的比例减小，双峰越来越明显。这说明当Zr/Ti=1.22、1.20时，四方相越来越多，Zr/Ti的比例越小，三方相逐渐消失。当Zr/Ti=1.24时，在2θ=44o—46o范围内出现三方相与四方相两相共存的区域，这说明0.10BF-0.90PZT体系的准同型相界在Zr/Ti=1.24附近。

2.2 A位掺杂对0.10BF-0.90PZT体系压电介电性能的分析

将A位掺杂到0.90Pb1-xAx(Zr，Ti)O3-0.10 BiFeO3体系中，Zr/Ti=1.24，x=0.10，0.12，0.14，0.16，0.18；制备样品测试介电压电性能见图2所示。

图2 A位掺杂组分的电性能

2.3 部分样品的扫描分析

将x=0.16的组分制成的样品，烧结后表面与断面的显微结构见图3所示。

图3 x=0.16组分的显微结构图

从扫描结果看出，表面与断面的显微结构中，晶界清晰，部分晶粒长大，说明烧结温度比较适中，但保温时间比较短；部分晶界上有微小细晶析出，这说明对于0.10BF-0.90PZT体系A位掺杂浓度已经达到饱和状态。如果再增加A位掺杂的浓度，晶界的细小晶粒会长大，从而会影响体系的压电与介电性能。这样进一步证明，0.10BF-0.90PZT体系中x=0.16时，压电与介电性能最优。

2.4 介电温谱分析

图4 相对介电常数()与温度的图谱

3 结论

(1) 采用固相烧结法制备0.10BF-0.90PZT压电陶瓷，通过Zr/Ti比研究发现，组分的准同型相界(MPB)位于Zr/Ti=1.24附近，随着Zr/Ti比的降低，组分由三方相向四方相转变。

(3) 通过显微结构分析，0.10BF-0.90PZT体系中A位掺杂量为0.16时，掺杂浓度达到饱和；再经过介电温谱测试了Zr/Ti=1.24、A位掺杂量为0.16的组分的居里温度(Tc)为214 ℃，并发现该体系具有典型的介电弛豫特性。

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The Effect of A Doping on the Electric Properties of BF-PZT Piezoelectric Ceramics

ZHANG Yuansong, ZHONG Min, ZHANG Jing, YAN Zhoumin, LAI Wei

(Guizhou Zhenhua Hongyun Electronics CO., Ltd., Guiyang, 550018, Guizhou, China)