pzt壓電陶瓷的制備

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1、材料研究進(jìn)展課程論文（PZT壓電陶瓷的制備）姓名：徐敏學(xué)號(hào)：1205101032班級(jí)：材料料科學(xué)與工程01班2016年1月10日摘要壓電陶瓷材料是一種能夠?qū)C(jī)械能和電能相互轉(zhuǎn)換的功能陶瓷,在諧振器、傳感器、超聲換能器、驅(qū)動(dòng)器、濾波器、電子點(diǎn)火器等方面有著廣泛的應(yīng)用。PZT壓電陶瓷因其具有良好的介電和壓電性能,一直以來都占據(jù)著壓電陶瓷領(lǐng)域的主導(dǎo)地位。但是傳統(tǒng)的固相燒結(jié)法的燒結(jié)溫度高,造成氧化鉛的大量揮發(fā),從而引起化學(xué)計(jì)量比的偏離,性能的下降,環(huán)境的污染。在提倡低碳環(huán)保的今天,通過低溫?zé)Y(jié)技術(shù)來降低氧化鉛的揮發(fā)顯得越來越重要和必要。通過選取組成處于準(zhǔn)同型相界(MP

2、B)附近的PbZr0.52Ti0.48O3作為研究對(duì)象,結(jié)合傳統(tǒng)固相燒結(jié)法制備PZT壓電陶瓷的優(yōu)缺點(diǎn),改變傳統(tǒng)的氧化物原料,提出兩種低溫制備PZT壓電陶瓷的新方法。重點(diǎn)研究了以乙酸鉛、偏鈦酸、碳酸鋯和草酸為原料的低溫制備新工藝,討論研磨時(shí)間、Zr/Ti比、預(yù)燒溫度和終燒溫度四個(gè)因素對(duì)本工藝的影響。通過分析TG-DTA、XRD、SEM和樣品的電性能,確定較佳的工藝條件是在Zr/Ti=0.40/0.60下,研磨12h,在750°C預(yù)燒2h,在950°C下終燒2h,此時(shí)制備得到的PZT陶瓷的相對(duì)介電系數(shù)和壓電系數(shù)均為最大值:εr=824,tanδ=0.986%,d3

3、3=372pC/N。研究表明,此新方法對(duì)制備PZT￡E電陶瓷是行之有效的,并且樣品的電性能略高于傳統(tǒng)固相法制備得到PZT壓電陶瓷的性能,而且成本低廉,工藝簡(jiǎn)單,燒結(jié)溫度低,具有工業(yè)應(yīng)用價(jià)值,是一種具有巨大發(fā)展?jié)摿Φ吞季G色環(huán)保的新工藝。關(guān)鍵詞：PZT;低溫制備;Ce02摻雜;1.PZT壓電陶瓷簡(jiǎn)介1.1PZT發(fā)展史1942年發(fā)現(xiàn)了BaTiO3的壓電性，由于其介電常數(shù)較高，很快用于發(fā)展，直到今天仍用于制作聲吶裝置的振子和聲學(xué)計(jì)測(cè)裝置以及濾波器等、但由于存在頻率溫度穩(wěn)定性欠佳等缺陷，所以1954年美國(guó)公布了壓電體Pb(ZrTi)O3，即鋯鈦酸鉛，現(xiàn)在統(tǒng)稱為PZT型陶

4、瓷，PZT的出現(xiàn)使壓電陶瓷有了更多的應(yīng)用，例如壓電點(diǎn)火裝置和濾波器等。如果把BaTiO3作為單元系壓電陶瓷的代表，那么PZT可作為二元系壓電陶瓷的代表。PZT壓電陶瓷由于它的性能參數(shù)多樣性、振動(dòng)模式的研究與開發(fā)利用以及器件制作技術(shù)的進(jìn)步等因素，促使它在近十年來發(fā)展甚為迅速，應(yīng)用日趨廣泛，對(duì)整個(gè)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展有著一定的影響。1.1.1PZT的實(shí)際應(yīng)用PZT陶瓷材料的應(yīng)用概況可用“PZT樹”表示于下圖PZT樹（圖一）1.2PZT晶體結(jié)構(gòu)PbZrO3和PbTiO3的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)比較：PbTiO3PbZrO3結(jié)構(gòu)鈣鈦礦結(jié)構(gòu)鈣鈦礦結(jié)構(gòu)Tc(立方順電)230℃（正交晶系）49

5、0℃類別反鐵電體鐵電體1(1.063)>Tc立方順電相PbZrO3和PbTiO3的結(jié)構(gòu)相同，都屬于鈣鈦礦結(jié)構(gòu)，晶胞的B位置可以是Ti4+也可以是Zr4+,由于rTi4+=0.64A和rZr4+=0.77A相近且兩種離子的化學(xué)性質(zhì)相似，故兩者可形成無限固溶體，可表示為Pb(ZrxTi1-x)O3，簡(jiǎn)稱PZT瓷。PZT的晶體結(jié)構(gòu)（圖二）PbTiO3是一種高居里點(diǎn)（490℃）的鈣鈦礦型結(jié)構(gòu)的鐵電體，在居里點(diǎn)以上為立方順電相，在居里點(diǎn)以下為四方鐵電相，其晶體結(jié)構(gòu)屬C4v------4mm點(diǎn)群，室溫時(shí)四方晶胞的軸比為c/a=1

6、.063,各向異性比BaTiO3要大。1.3PZT相圖PbZrO3屬鈣鈦型結(jié)構(gòu)，在居里點(diǎn)(232℃)以上屬立方晶系，在居里點(diǎn)以下卻屬正交晶系反鐵電相PbTiO3和PbZrO3互溶后，其結(jié)構(gòu)和性質(zhì)都發(fā)生顯著的變化，其熔融溫度又在1300℃以上，由圖三可見，有一條橫貫相圖的Tc線把順電立方相Pc，鐵電三角相FR和鐵電四方相Ft分開，這條Tc線表示了在鋯鈦比不同處，居里點(diǎn)不同，在居里點(diǎn)以上，對(duì)任何鋯鈦比，其晶體結(jié)構(gòu)都為立方順電相Pc，在居里點(diǎn)以下，在Zr/Ti=53/47附近，在三角相區(qū)，還存在著鐵電相界,低溫鐵電相FR(L)、與高溫鐵電相FR(HT)的差別是氧八面

7、體的取向不同，低溫相中存在氧八面體的旋轉(zhuǎn)且相鄰的氧八面體旋轉(zhuǎn)的方向相反。x=0.53附近是三角一四方相界,稱為準(zhǔn)同型相界。最近研究表明:準(zhǔn)同型相界實(shí)際上有一定的寬度范圍，在此范圍內(nèi)四方鐵電相和三角鐵電相共存，相界線的位置可以認(rèn)為是對(duì)應(yīng)于四方鐵電相與三角鐵電相數(shù)最相等的區(qū)域。Pc—順電立方相Ar—反鐵電立方相Ao—反鐵電正交相FR(H)—高溫鐵電三角相FR(L)—低溫鐵電三角相Ft—鐵電四方相PZT低溫相平衡圖（圖三）1.4PZT陶瓷燒結(jié)機(jī)理1.4.1固相燒結(jié)法合成PZT固相燒結(jié)法是PZT鐵電材料傳統(tǒng)的合成方法，鐵電陶瓷的性能與燒結(jié)工藝及微觀結(jié)構(gòu)密切相關(guān),合成壓

8、電陶瓷的過程是化學(xué)反應(yīng)進(jìn)行的過程。這種