大功率PMSPZPT体系压电陶瓷机电性能的稳定性研究

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1、上海大学硕士学位论文大功率PMS-PZ-PT体系压电陶瓷机电性能的稳定性研究姓名：周飞申请学位级别：硕士专业：材料物理与化学指导教师：孟中岩20040301圭塑奎兰堡主兰焦丝兰!查塑皇!坚!：!j：!!堡墨垦皇堕塑塑皇丝墼堕塑塞丝竺竺一一———一摘要功率型压电陶瓷的应用日益广泛，如近年来迅速兴起的压电马达、压电驱动器、压电变压器、换能器等。作为大功率用压电陶瓷材料一般要求具有尽可能大的机电耦合系数(K窿O．5andK3I兰o．3)和压电常数(d33_>350pC／Nand—d3l->100pC／N)，高的机

2、械强度、高的机械品质因子(Qn2>500)、较小的介质损耗(tanS<0．005)和高功率密度。在此基础上同时也要兼顾时间和温度稳定性。锑锰锆钛酸铅系压电陶瓷xPb(Mnl／3Sb2rs)03-yPbZr03-zPbTi03(PMS-PZ—PT)的特点是机电耦合系数可在很宽的范围内调节，Qm值最高可达到5300，介质损耗小，谐振频率的时间温度稳定性好，因此本文针对该体系，通过调节锆钛比来探究压电性能良好的材料配方。并在此基础上通过硬性镍掺杂和软性铌掺杂来优化材料的性能，并探讨了组分具有优良性能的原因。在压电

3、器件的使用过程中，压电陶瓷的工作温度是不断变化的，压电陶瓷的各项性能也将随着温度变化，有时这种变化会使压电陶瓷器件不能工作。压电陶瓷长期工作，其机电性能(尤其是压电性能)不可避免的出现老化。因此本文研究了锆钛比和掺杂对PMS—PZ．PT三元系压电陶瓷性能和其温度稳定性的影响，并探讨了其温度稳定性的机理。同时又研究了掺杂对陶瓷材料老化性能的影响。实验结果表明：对于PMS—Pz—PT三元系压电陶瓷，调整ZffTi比，在三方一四方准同型相界附近四方相区，当锆钛比为50：50(PMS50)时，体系性能达到：K。=O

4、．63，K3l-O．36，Q。=1215，d33=401pC／N，一d3t=124pC／N。随锆钛比的增加，体系的相结构从四方相到四方和三方共存最后变为三方相。适量的硬性镍掺杂能显著提高体系的电性能，当NiO掺杂量为0．2mol％时，体系的性能为：K。=0．68，K3l=O．40，Q。=1360，d33=506pC／N，一d31=172pc／N。而Nb掺杂对材料电性能的提高不大。PMS—PZ．PT三元系陶瓷在准同型相界附近靠近四方相时，其压电性能的温度稳定性较好；而在三方相时，压电系数随温度的波动则较大。N

5、b“离子掺杂剂，改善了PMS-PZ-PT体系的温度稳定性能，．20"C～100。C，相对室温时的最大频移从1．43％降为0．54％；机电耦合系数(△K3t／K3]25"C)从。5．41％降为一1．72％；同时压电常数d3l的温度系数(△d3l／d3t25t)从15％降到6％。镍掺杂对压电系数d。I温度稳定性有较大的改善，压电常数d3l的温度系数下降到3．0％，但对于谐振频率和机电耦合系上海大学硕士学位论文：大功率PMS，PZ．PT体系压电陶瓷机电性能的稳定性研塞数的温度稳定性改善不大。硬性镍掺杂剂使PMS-

6、PZ—PT三元系压电陶瓷压电性能抗老化性能改善。热处理能显著改善PMS—PZ—PT三元系压电陶瓷的压电老化特性。老化后对材料的机电耦合系数(K及K。I)和谐振频率的温度稳定性有一定的改善。老化机理研究表明：较低温度压电常数老化较慢，老化行为遵从延伸指数定律，老化机理与材料本身的晶体缺陷(主要是氧空位)有关。较高温度下的老化行为符合时间对数直线规律，老化机理与电畴运动有关。组分PMS50及在其基础上通过改性而得到了性能优良的压电陶瓷PMS50+0．1m01％Nb205，PMS50+0．2m01％NiO。后者不

7、仅压电性能优良，而且热稳定性良好，其综合性能优于以往文献报道的同体系压电陶瓷，可以满足了大功率压电器件的使用要求。关键词：大功率，压电陶瓷，PMS．PZ．PT，掺杂，温度稳定性，老化II圭塑奎兰堡主兰垡丝壅：查塑查!竺!：些：!!堡墨墨皇塑墨塑旦型堕塑竺墅型生堕壅————一AbstractPiezoelectricceramicsissuccessfullyappliedinmanyareas．Amongthem，thehigh．powerceramicsanditsapplicationswillrema

8、inahotsubjecttobeconcerned．Tomeettherequirementsofhigh—powerdevicessuchaspiezoelectricmotors，piezoelectrictransforlnersandultrasonictransducers，itisdesirablethatthepiezoelectricceramicshashighpiezoelectriccon