本文關(guān)鍵詞：銻錳鋯鈦酸鉛壓電陶瓷瞬時(shí)液相燒結(jié)及其摻雜改性的研究

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【摘要】：鋯鈦酸鉛(PZT)基壓電陶瓷自1945年發(fā)現(xiàn)具有優(yōu)異的壓電性能和介電性能以來,就作為兆赫茲頻段里的換能器材料,被廣泛應(yīng)用于聲納換能器、水聲換能器、超聲電機(jī)等各種超聲應(yīng)用的換能器。由于壓電陶瓷材料的應(yīng)用十分廣泛,在不同的應(yīng)用領(lǐng)域,對(duì)其有不同的性能要求。為了適應(yīng)不同的使用要求,各種各樣的壓電陶瓷配方被開發(fā)和設(shè)計(jì)。本論文針對(duì)聚焦超聲換能器用壓電陶瓷,采用傳統(tǒng)固相法制備銻錳鋯鈦酸鉛(PMS-PZT)系壓電陶瓷,研究不同燒結(jié)工藝,不同Sr、Ba復(fù)配摻雜比和CeO2摻雜對(duì)陶瓷性能的影響。通過XRD、SEM、EDS、阻抗分析儀、d33準(zhǔn)靜態(tài)測試儀等測試方法對(duì)陶瓷樣品的結(jié)構(gòu)、形貌、成分、電學(xué)性能進(jìn)行了分析。Pb(Mn1/3Sb2/3)0.05Zr0.47Ti0.48D3(PMS-PZT)壓電陶瓷隨著燒結(jié)溫度的上升,晶粒逐漸長大,晶化質(zhì)量提高,d33、Kp和Qm呈現(xiàn)上升的趨勢(shì)；但在1200℃燒結(jié)時(shí),d33和Kp卻突然下降,這是由于化學(xué)組分的波動(dòng)。介電性能的變化規(guī)律不能直接用密度的變化來解釋,這時(shí)由于PMS-PZT陶瓷體系在1100℃附近會(huì)形成低溫共熔物并在晶界富集從而降低了介電常數(shù)并增加了介電損耗。燒結(jié)氣氛對(duì)PZT壓電陶瓷體系的影響很大,在燒結(jié)過程中提供PbO和O2氣氛有助于抑制PbO的揮發(fā),而且同時(shí)加速Zr4+擴(kuò)散,促進(jìn)陶瓷的致密化過程。對(duì)于有瞬時(shí)液相燒結(jié)的體系,液相燒結(jié)溫度附近升溫速率的提高有助于提高液相的量,從而促進(jìn)燒結(jié),但是過快的升溫速率也會(huì)造成晶粒異常長大,從而惡化性能。通過燒結(jié)工藝的研究,進(jìn)一步對(duì)Sr/Ba壓電陶瓷進(jìn)行復(fù)配摻雜改性。單獨(dú)摻雜Sr或Ba的陶瓷樣品組分位于四方相區(qū),而Sr/Ba以一定比例共摻的陶瓷樣品組分位于三方相和四方相共存的準(zhǔn)同型相界位置。由于壓電陶瓷在準(zhǔn)同型相界具有較高的壓電和介電活性,所以Sr/Ba共摻的壓電陶瓷表現(xiàn)出較大的壓電性能,但同時(shí)由于電疇轉(zhuǎn)向帶來的較大內(nèi)摩擦和結(jié)構(gòu)損耗,也提高了材料的機(jī)械損耗和介電損耗。由于Sr、Ba復(fù)配摻雜時(shí),當(dāng)機(jī)電耦合系數(shù)Kp較高時(shí),機(jī)械品質(zhì)因數(shù)Qm較低,且介電損耗相對(duì)較高。所以針對(duì)Pb0.92Sr0.06Ba0.02(Mn1/3Sb2/3)0.05Zr0.48Ti0.47O3(P6SBSM-PZT)壓電陶瓷通過兩性劑CeO2進(jìn)一步改性,CeO2摻雜有助于陶瓷中三方相含量的增多,但是過多CeO2摻雜會(huì)引起焦綠石相等雜相的生成。此外,CeO2有細(xì)化晶粒的效果,但是過量的CeO2摻雜會(huì)造成Ce在燒結(jié)完成后富集在晶界處,造成晶界強(qiáng)度的降低,使陶瓷的斷裂方式從穿晶斷裂向沿晶斷裂轉(zhuǎn)變。CeO2作為壓電陶瓷常用的兩性添加劑,少量摻雜時(shí),壓電陶瓷獲得較高的機(jī)電耦合系數(shù)Kp、機(jī)械品質(zhì)因數(shù)Qm。在1250℃燒結(jié)的0.25ω%Ce02摻雜的陶瓷樣品獲得最佳的性能：d33=323C·N-1, Kp=0.60,Qm=1396,εr=1309,tanδ=4.74%。
【關(guān)鍵詞】：PMS-PZT 超聲聚焦換能器 瞬時(shí)液相 Sr/Ba摻雜 CeO_2摻雜
【學(xué)位授予單位】：昆明理工大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號(hào)】：TQ174.1
【目錄】：

• 摘要5-7
• ABSTRACT7-12
• 第一章 緒論12-34
• 1.1 引言12
• 1.2 PZT基壓電陶瓷的基本概述12-17
• 1.2.1 PZT基壓電陶瓷的晶體結(jié)構(gòu)和壓電性12-14
• 1.2.2 PZT基壓電材料的發(fā)展與研究現(xiàn)狀14-16
• 1.2.3 大功率壓電陶瓷PMS-PZT16-17
• 1.3 PZT基壓電陶瓷液相燒結(jié)機(jī)理概述17-21
• 1.3.1 液相燒結(jié)的途徑18
• 1.3.2 影響液相燒結(jié)的因素18-21
• 1.4 PZT基壓電陶瓷的摻雜理論研究21-24
• 1.4.1 等價(jià)摻雜22
• 1.4.2 軟性摻雜22-23
• 1.4.3 硬性摻雜23
• 1.4.4 兩性摻雜23-24
• 1.5 PZT基材料在制備過程中的問題24-29
• 1.5.1 原材料的選擇24-25
• 1.5.2 制備粉體的粒徑25
• 1.5.3 化學(xué)計(jì)量比的偏離25-26
• 1.5.4 焦綠石相26-27
• 1.5.5 老化性能27-29
• 1.6 高強(qiáng)度聚焦超聲換能器的發(fā)展29-31
• 1.7 本論文的工作及意義31-34
• 第二章 實(shí)驗(yàn)過程及分析測試方法34-44
• 2.1 材料的制備設(shè)計(jì)思路34
• 2.2 實(shí)驗(yàn)原料及設(shè)備34-36
• 2.3 實(shí)驗(yàn)流程36-38
• 2.4 分析測試方法38-43
• 2.4.1 密度測量38-39
• 2.4.2 物相分析(XRD)39
• 2.4.3 顯微結(jié)構(gòu)分析(SEM)39-40
• 2.4.4 壓電常數(shù)d_(33)測試40
• 2.4.5 平面機(jī)電耦合系數(shù)和機(jī)械品質(zhì)因數(shù)計(jì)算40-41
• 2.4.6 介電常數(shù)和介電損耗41-43
• 2.5 本章小結(jié)43-44
• 第三章 PMS-PZT壓電陶瓷燒結(jié)工藝研究44-58
• 3.1 燒結(jié)溫度對(duì)PMS-PZT壓電陶瓷的影響44-50
• 3.1.1 1100℃附近形成的過渡液相研究44-45
• 3.1.2 收縮率、失重和密度變化分析45
• 3.1.3 結(jié)構(gòu)表征45-46
• 3.1.4 斷面顯微形貌分析46-47
• 3.1.5 壓電性能分析47-49
• 3.1.6 介電性能分析49-50
• 3.2 燒結(jié)氣氛對(duì)PMS-PZT性能的影響50-52
• 3.2.1 不同氣氛燒結(jié)方法設(shè)計(jì)50-51
• 3.2.2 斷面顯微形貌分析51-52
• 3.2.3 陶瓷性能分析52
• 3.3 1100℃附近升溫速率的變化對(duì)壓電陶瓷的影響52-57
• 3.3.1 結(jié)構(gòu)表征53
• 3.3.2 斷面顯微形貌分析53-54
• 3.3.3 收縮率、失重和密度變化分析54-55
• 3.3.4 壓電性能的分析55-56
• 3.3.5 介電性能分析56-57
• 3.4 本章小結(jié)57-58
• 第四章 PMS-PZT壓電陶瓷Sr/Ba復(fù)配摻雜改性研究58-68
• 4.1 結(jié)構(gòu)表征58-60
• 4.2 斷面顯微形貌分析60-62
• 4.3 密度表征62-63
• 4.4 壓電性能分析63-65
• 4.5 介電性能分析65-67
• 4.6 本章小結(jié)67-68
• 第五章 CeO_2摻雜Sr/Ba復(fù)配改性PMS-PZT壓電陶瓷性能研究68-74
• 5.1 結(jié)構(gòu)表征68-70
• 5.2 斷面顯微形貌分析70-71
• 5.3 壓電性能分析71-72
• 5.4 介電性能分析72-73
• 5.5 本章小結(jié)73-74
• 第六章 結(jié)論與展望74-76
• 6.1 結(jié)論74-75
• 6.2 創(chuàng)新點(diǎn)75
• 6.3 展望75-76
• 致謝76-77
• 參考文獻(xiàn)77-81
• 附錄A：攻讀碩士學(xué)位期間發(fā)表論文81-82
• 附錄B：參與的科研項(xiàng)目82

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本文編號(hào)：711693