PZT 壓電陶瓷La摻雜改性研究*

王厚山

(山東工業(yè)職業(yè)學(xué)院 山東 淄博 256414)

前言

隨著電子通訊技術(shù)與信息行業(yè)的迅速發(fā)展，壓電材料作為智能材料的一種，受到越來(lái)越多研究工作者的廣泛關(guān)注。現(xiàn)在壓電材料常用的有石英、A1N[1～2]、ZnO[3]和PZT[4]等，由于壓電材料能夠根據(jù)環(huán)境變化自適應(yīng)實(shí)現(xiàn)機(jī)械能與電能間的轉(zhuǎn)換，可集傳感、執(zhí)行和控制于一體，在生活中具有廣泛應(yīng)用[5]。壓電材料的應(yīng)用已經(jīng)遍及日常生活的每個(gè)角落。在壓電陶瓷領(lǐng)域，長(zhǎng)期以來(lái)都以鋯鈦酸鉛PZT占統(tǒng)治地位[6]。加快其應(yīng)用速度，使壓電材料的應(yīng)用開(kāi)始嶄新的局面。

鋯鈦酸鉛是具有典型鈣鈦礦結(jié)構(gòu)的陶瓷材料，一直是人們關(guān)注和研究的熱點(diǎn)，至今仍在壓電陶瓷領(lǐng)域中占有主導(dǎo)地位。而在PZT的摻雜改性方面，稀土摻雜PZT的研究相對(duì)較少，筆者主要是研究稀土元素La不同濃度摻雜對(duì)PZT壓電陶瓷的影響。

1 實(shí)驗(yàn)

首先，根據(jù)化學(xué)計(jì)量比分別稱量 Pb3O4、ZrO2、TiO2、La2O3四粉料，混合后放入聚乙烯罐中，研磨介質(zhì)選擇去離子水，氧化鋯作磨球，研磨12 h，取出在100 ℃下烘干。烘干好的干料50目篩分。用2 MPa左右的壓力將料粉制備成大塊后，轉(zhuǎn)移至剛玉坩堝里，850 ℃下煅燒2 h。然后磨為細(xì)粉，再按照上述球磨的方法繼續(xù)研磨24 h后，烘干、過(guò)篩，獲得熟粉。然后造粒、壓片。接著在相應(yīng)設(shè)計(jì)溫度下燒結(jié)為陶瓷樣片。

采用德國(guó)Bruker公司D8 ADVANCE型 X射線衍射儀對(duì)所得樣品，進(jìn)行了進(jìn)行X-射線粉末衍射(XRD)物相和結(jié)構(gòu)分析，工作時(shí)掃描速度調(diào)節(jié)到4°/min ，掃描角度范圍為20°～80°。

采用HP4294A精密交流阻抗儀和HP4291B阻抗分析儀，測(cè)量樣品在室溫下的電容和介電損耗tanδ，測(cè)試溫度為室溫至350 ℃，升溫速率為2 ℃/min，測(cè)試頻率為1～10 MHz。

樣品的形貌使用日本日立公司帶有X-ray能量分散光譜(EDS)的S-4800型場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡，場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡(SEM)來(lái)確定。

2 結(jié)果與討論

2.1 燒結(jié)溫度對(duì)體積收縮率的影響

圖1 燒結(jié)溫度對(duì)體積收縮率的影響

提高材料的致密性和密度是改善材料性能的關(guān)鍵因素。壓電陶瓷的性能與其晶粒大小和密度有關(guān)，由于原子的擴(kuò)散，陶瓷坯體在燒結(jié)過(guò)程中，會(huì)發(fā)生體積收縮，從圖1可以看出，樣品密度是先隨著溫度的升高而增大，當(dāng)燒結(jié)溫度為1 200 ℃時(shí)，此時(shí)樣品的密度達(dá)到最大。1at%時(shí)6.7 g/cm3，3at%時(shí)6.9 g/cm3，5at%時(shí)7.27 g/cm3，7at%時(shí)7.03 g/cm3，這說(shuō)明當(dāng)燒結(jié)溫度為1 200 ℃時(shí)，樣品的致密性最好。過(guò)高的溫度可能會(huì)導(dǎo)致樣品的組分發(fā)生改變，因此確定優(yōu)化的燒結(jié)溫度為1 200 ℃。之后又隨著溫度的升高逐漸下降，這可能是因?yàn)檫^(guò)量液相產(chǎn)生的同時(shí)也抑制了大部分晶粒的生長(zhǎng)，且燒結(jié)溫度上升也會(huì)使得PbO揮發(fā)，陶瓷內(nèi)部產(chǎn)生缺陷。

2.2 添加量對(duì)陶瓷結(jié)構(gòu)的影響

如圖2所示，在1 200 ℃的燒結(jié)溫度下，當(dāng)添加量為1at%，3at%，5at%，7at%時(shí)均得到了鈣鐵礦結(jié)構(gòu)，(200)兩個(gè)衍射峰證明了陶瓷內(nèi)部的四方和三方兩相共存。根據(jù)研究結(jié)果表明：陶瓷在兩相共存處即準(zhǔn)同型相界附近具有較優(yōu)的性能。從圖中也可以看出，隨著La添加量的增大，陶瓷的晶體結(jié)構(gòu)沒(méi)有發(fā)生明顯變化，La的加入并未引起晶格崎變。

圖2 四個(gè)樣品的XRD圖譜

2.3 對(duì)PZT陶瓷微觀形貌的影響

圖3 添加量不同的條件下的SEM圖

圖3是摻雜La的PZT陶瓷的微觀形貌圖，從圖3可以看出，摻雜后得到的材料孔洞很少，均勻致密，而且隨著摻雜含量的增加，顆粒變得越來(lái)越小，說(shuō)明La摻入PZT陶瓷可以具有細(xì)化晶粒的作用。

2.4 PLZT 的電性能分析

圖4 添加量不同的條件下的介電常數(shù)和介電損耗圖

如圖4所示，可以看到，隨著壓電陶瓷中鑭的含量增加，介電常數(shù)先是快速增大，然后再減小，當(dāng)鑭含量是5at%時(shí)達(dá)到峰值。當(dāng)材料中鑭的含量由 1at%提高至5at%時(shí)，樣品的介電損耗呈增加趨勢(shì)，5at%時(shí)，達(dá)到峰值，隨后樣品的介電損耗又呈下降趨勢(shì)。

這是因?yàn)椋?dāng)鑭含量增加時(shí)，形成樣品的晶粒尺寸也會(huì)隨之增加，但由于MBP相界組分是一個(gè)復(fù)雜的相界。當(dāng)樣品中鑭的含量達(dá)到 5at%以上時(shí)，樣品內(nèi)部過(guò)剩的三價(jià)鑭離子，和別的離子生成一種新的非鐵電相，這個(gè)現(xiàn)象導(dǎo)致如圖4所示的下降趨勢(shì)。

3 結(jié)論

筆者討論了PZT系列鐵電陶瓷材料中鑭的摻雜含量對(duì)其電性能的影響關(guān)系，結(jié)論如下：

1)根據(jù)XRD檢測(cè)結(jié)果可知， 本研究成功制備了純度較高的Pb(Zr0.55Ti0.45)O3鐵電陶瓷。

2)在保溫時(shí)間是2 h的條件下，比較了不同的燒結(jié)溫度對(duì)其密度的影響，研究最終確定1 200 ℃下，保溫2 h的燒結(jié)條件為較優(yōu)的操作條件。

3)在溫度為1 200 ℃下，燒結(jié)時(shí)間為2 h下進(jìn)行燒結(jié)，鑭含量為5at%的PZT就有最大的密度。

4)當(dāng)壓電陶瓷中鑭的含量由1at%提高至7at%時(shí)，介電常數(shù)和介電損耗先是增大后降低，鑭含量5at%時(shí)達(dá)到峰值。