高锆系PZT压电陶瓷的制备及性能研究(2)
1.4.5 溶胶凝胶法 8
1．5 PZT陶瓷的研究 9
1.5.1 相图 9
1.5.2 铁电性 11
1.5.2 掺杂改性 12
1．6 PZT陶瓷的应用 13
1．7 本文的主要研究内容 14
2 实验 14
2．1 实验材料 14
2．2 实验仪器 14
2．3 实验过程 15
3 实验数据分析 19
3．1 XRD分析 19
3．2 d33分析 20
3．3 CF分析 21
3．4 掺杂对PZT95/5性能影响初探讨 21
结 论 30
致 谢 31
参 考 文 献 32
1 引言
高锆系PZT压电陶瓷(PZT95／5)，处于铁电相与反铁电相的相界附近，存在着非常丰富的相结构，在压力、温度，电场等外场诱导下发生相变的过程中，材料的结构和性能会发生很大的变化。这类陶瓷具有较高的厚度机电耦合系数(Kt=0 40)和一定的机电耦合各向异性(Kt／Kp=4.0)，在很小的应力下可产生较大的脉冲电流或电压，这使得其在爆电换能的技术中具有重要的应用价值。但由于PZT 为含铅陶瓷, 高温下PbO 容易挥发, 从而使化学组分不能精确控制，陶瓷性能难以保证，需要在选择Zr/ Ti比的基础上, 通过加入适当的掺杂物进行改性，以改善PZT 制品性能。本项目采用固相烧结法制备PZT95/5陶瓷，并以“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Nb2O5作为掺杂物对PZT95／5进行B位掺杂改性，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。
1．1 压电陶瓷的介绍
当在某些各向异性的晶体材料上施加机械应力时，在晶体的某些表面上会有电荷出现。这一效应成为正压电效应，晶体的这一性质，叫做压电性。压电性是J.居里与P.居里兄弟在1880年发现，后来发现在晶体上施加电压时，则晶体会产生几何变形。这一效应称为逆压电效应[1] 压电效应如图1所示：
图1：压电效应示意图
压电材料之所具有压电效应是因为多晶陶瓷内部具有类似磁铁材料磁畴结构的电畴结构，电畴是分子自发极化形成的区域，并且电畴是可以转动的。电畴受到晶体对称性、电导率、结构缺陷、自发极化强度、弹性常数和介电常数的大小，以及晶体的制备历史和样品的几何形状等等因素影响。
在无外电场作用时，各个电畴在晶体中的分布杂乱无章，它们的自发极化效应相互抵消，从而使内部极化强度为零。当施加外电场作用时，电畴的极化方向大致按照外电场的方向排列。去掉外电场后，压电陶瓷内部仍然存在很强的剩余极化强度。电畴在未极化，极化，极化后的分布如图2所示。
图2：电畴分布示意图
压电陶瓷是一种具有压电性能的多晶体，是信息功能陶瓷的重要组成部分，其具有高居里温度（大于350℃），可以在较高温度下是使用，由于其机电耦合系数高，价格便宜，易于批量生产等优点[2,3],已被广泛应用于社会生产的各个领域，然后在实际元器件中，不同的应用对压电陶瓷材料的性能参数要求不同，这就使人们对压电陶瓷材料进行相应的性能改进。目前国内外采用两种方法[4-6]：一种是掺杂改性，即掺杂某种杂质离子；另一种是改进制备工艺。
1．2 压电陶瓷的性能表征