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近年来,由于压电作动器和变压器的大规模使用,大功率压电陶瓷材料引起了广泛的研究和关注。为获得高的功率密度,多层叠片式压电陶瓷元器件也逐渐成为近期的研究热点。日前实现叠层结构更倾向采用Ag-Pd贵金属作内电极多层叠合一次烧成。若PZT压电陶瓷能在900℃以下烧成,则可采用Ag作内电极,这样不仅可以降低成本也可以抑制PbO的挥发。
目前,人们通过添加钙钛矿型弛豫铁电体发展了许多三元系、四元系的PZT基大功率压电陶瓷。PZT-PMS-PZN由于具备优异的电学性能:d33=369pC/N,Qm=1381,kp=64％,tanδ=0.44％,εT33=1600,而被认为是大功率的候选材料之一。然而针对该材料的研究局限于熔盐合成法,且烧结温度偏高。为此,本课题选择PZT-PMS-PZN材料为研究对象,从成分设计、低温烧结特性、掺杂改性对材料的显微结构与电学性能的影响进行系统的研究。
采用普通固相法制备四元系0.90Pb(ZrxTi1-x)O3-0.05Pb(Mn1/3Sb2/3)O3-0.05Pb(Zn1/3Nb2/3)O3陶瓷,进一步添加CuO烧结助剂降低烧结温度。研究不同Zr:Ti比和CuO添加量对陶瓷微结构、电学性能的影响规律。结果表明,Zr:Ti比对陶瓷电学性能影响显著,当Zr:Ti=48:52时,1100℃烧结后的陶瓷具有优异的电学性能:d33=355 pc/N,Qm=1550,kp=60％,tanδ=0.33％,εT33=1308。该配方在添加1.0 wt％CuO后,烧结温度下降到900℃,并且保持较好的电学性能:d33=306 pC/N,Qm=997,kp=53.6％,tanδ=0.50％,εT33=1351。通过对0.90PZT-0.05PMS-0.05PZN+1.0 wt％CuO陶瓷原始粉体进行了差热.热失重分析,930℃左右出现的吸热峰证实了烧结过程中液相的存在。
为进一步优化0.90PZT-0.05PMS-0.05PZN+1.0 wt％CuO陶瓷的压电性能,选择LaO3和Nb2O5分别作为A-/B-位的施主掺杂物。研究结果表明,La2O3掺杂可以显著提高d33和kp值,且几乎不降低Qm。当掺杂0.5 wt％La2O3时,陶瓷的电学性能最佳:d33=355 pC/N,Qm=936,kp=58.4％,tanδ=0.32％,εT33=1590。另一方面,Nb2O5掺杂对陶瓷压电性能的影响相对复杂,当Nb2O5掺杂量为0.5 wt％时,陶瓷也具有良好的电学性能:d33=300 pC/N,Qm=971,kp=58.4％,tanδ=0.36％,εT33=1332.。