摻雜對PZT壓電陶瓷的影響及研究進(jìn)展

張靜 江平 王安玖 張元松 官瑤 褚濤

摘 要：在介紹摻雜PZT壓電陶瓷材料制備的基礎(chǔ)上，總結(jié)出生產(chǎn)摻雜PZT材料的最佳摻雜條件，以及配方對壓電陶瓷性能的影響，只要工藝合適，性能完全能再提高，對壓電陶瓷材料的發(fā)展趨勢進(jìn)行了展望。

關(guān)鍵詞：PZT壓電陶瓷;摻雜改性;取代

1 引 言

壓電陶瓷作為功能陶瓷的重要組成部分，在19世紀(jì)80年代，居里兄弟發(fā)現(xiàn)壓電效應(yīng)后，得到了踴躍的研究及迅速的發(fā)展。目前具有壓電效應(yīng)的研究主要在三個方面：壓電陶瓷、壓電高分子、壓電晶體，壓電性能最好的是壓電陶瓷。壓電陶瓷作為一種重要的力-電敏感性強(qiáng)的功能材料，已經(jīng)在傳感器、超聲換能器、微位移器和其它電子元器件等方面得到了廣泛的應(yīng)用。并且因其低成本、高壓電轉(zhuǎn)換的優(yōu)點(diǎn)，隨著加工工藝的進(jìn)步及優(yōu)化，它在航空航天、電子、信息等高科技方面有著很高的研究及應(yīng)用價值[1]。

空位濃度對壓電陶瓷的制備工藝及性能均有較大的影響。上個世紀(jì)50年代，PZT壓電陶瓷的誕生伊始，研究人員通過各種改性方法對其性能進(jìn)行提高，其中離子摻雜是最直接和最有效的提高手段。本文針對摻雜PZT及PZT基多元系陶瓷的研究現(xiàn)狀及進(jìn)展進(jìn)行詳細(xì)的概述，并對其研究及發(fā)展趨勢進(jìn)行大膽的預(yù)測。

2 二元系PZT壓電陶瓷摻雜改性研究

PZT 壓電陶瓷是典型的多晶體，換句話說，當(dāng)陶瓷未被極化時，陶瓷內(nèi)部存在許多方向各異的電疇。在極化過程中，外加電場作用下，晶體內(nèi)各個電疇均要發(fā)生轉(zhuǎn)向，但電疇的轉(zhuǎn)向會使陶瓷內(nèi)部產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力，所以從熱力學(xué)角度考慮，陶瓷內(nèi)部電疇轉(zhuǎn)向相當(dāng)困難。圖1為鈣鈦礦型晶體的結(jié)構(gòu)。許多研究都是通過取代改性、加入多組元使晶格發(fā)生畸變，從而晶粒容易轉(zhuǎn)向。通常摻雜根據(jù)位置的不同可分為A位、B位摻雜[2]。

Pb在加熱的過程中在900℃會揮發(fā)。眾所周知，重金屬鉛及其化合物可由蒸氣或粉塵進(jìn)入呼吸道，對人體及其各個組織帶來不良的影響。同時A位摻雜通常可以使陶瓷具有較大程度的晶格畸變，從而使得壓電性能得以提升。常見的Mg2+，Ca2+，Sr2+，Ba2+等堿土金屬離子，由于其離子半徑和鍵的性質(zhì)和Pb2+相差不大，加入到PZT中后可以置換Pb2+形成置換固溶體，當(dāng)然Mg2+除外。當(dāng)這些堿土金屬離子隨機(jī)地置換了Pb2+的位置以后，使得居里溫度降低，壓電和介電系數(shù)有所增加，機(jī)電耦合系數(shù)的Kp值也略有增加[3]。但是，這些置換只是在一定范圍內(nèi)成立，若置換量過大或過小都不再成立。

郝華等人通過對Sr2+，Mg2+摻雜后的PZT進(jìn)行了研究比較，摻鍶PZT的燒結(jié)溫度降低，在1150℃致密度最高，而摻鎂PZT在相同溫度下，致密度偏低。同時，在相同燒結(jié)溫度及保溫時間，發(fā)現(xiàn)引入Sr2+，Mg2+，能在一定程度上抑制鉛的揮發(fā)，提高材料的致密度，使得其性能得到提高[4]。凌志遠(yuǎn)等人通過對Sb2O3的摻雜進(jìn)行研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)Sb2O3的摻入量<1.9%時，Sb在PZT中的摻雜使得鈣鈦礦相由菱方向四方過渡，晶體的結(jié)構(gòu)為純的鈣鈦礦結(jié)構(gòu)，晶粒的尺寸降低，壓電系數(shù)增加;當(dāng)Sb2O3的摻入量>1.9%時，為鈣鈦礦和焦綠石的復(fù)合相結(jié)構(gòu)，尺寸保持穩(wěn)定，壓電系數(shù)減小;當(dāng)Sb2O3的摻入量在1.9%至2.0%時，其壓電系數(shù)是最高的，鈣鈦礦相組成處于準(zhǔn)同型相界附近，菱方結(jié)構(gòu)和四方結(jié)構(gòu)共存。若進(jìn)一步增加Sb2O3的摻入量，就會出現(xiàn)大量的焦綠石相，使其轉(zhuǎn)變?yōu)樗姆浇Y(jié)構(gòu)，沒有壓電效應(yīng)[5]。

3三元系PZN-PZT壓電陶瓷摻雜改性研究

PZN-PZT三元系壓電陶瓷是鈮鋅酸鉛與鋯鈦酸鉛通過一定比例復(fù)合而成。Li等人研究了PZN-PZT弛豫相變壓電陶瓷的四方相與三方相構(gòu)成的準(zhǔn)同型晶界，發(fā)現(xiàn)其d33達(dá)到550PC/N，和較高的Kp值。摻雜成為PZT壓電陶瓷性能改善最有效的方式[6]。摻雜La3+、Ce3+、Nb3+、W6+等高價離子可以使得PZT壓電陶瓷的彈性常數(shù)增加，矯頑磁場減小;電疇轉(zhuǎn)向能力提高，壓電性能得到增加。實(shí)驗過程中離子摻雜量也需要嚴(yán)格控制，過少摻雜量對性能的提高沒有太大的影響;過量的摻雜，超過固溶極限會生成雜質(zhì)相，如焦綠石，嚴(yán)重阻礙壓電性能。路朋獻(xiàn)等人通過前驅(qū)體法制備出摻雜Nb2O5的PZN-PZT陶瓷，Nb5+取代（Ti4+、Zr4+），導(dǎo)致晶格常數(shù)減小。過量摻雜Nb會導(dǎo)致Pb、Nb、Ti生成第二相雜質(zhì)。[7]高峰等人通過二次合成，1100℃燒結(jié)制備出摻雜1.0%W2O3的PZN-PZT壓電陶瓷，其致密度高，四方度低，綜合性能好[8]。

針對“硬性”摻雜，MnO2、Fe2O3等的加入，陶瓷彈性常數(shù)下降。候育冬等人通過傳統(tǒng)燒結(jié)在PZT-PZN陶瓷里摻雜Mn，致密度增加，陶瓷的Qm升高[9]。毛潔冰等人在PMS-PZN-PZT四元系壓電陶瓷中摻雜Fe3+，分析得出，此陶瓷非弛豫型鐵電體，F(xiàn)e的加入有效的提高致密度，降低陶瓷的介電損耗[10]。鄧毅華等人研究了Co摻雜后的PZN-PZT陶瓷的介電及壓電性能，當(dāng)加入Co含量為0.4%時，綜合性能優(yōu)良;Co2O3的助熔能力使得燒結(jié)溫度降低了100℃，陶瓷結(jié)構(gòu)均勻且致密[11]。

4 四元及多元系壓電陶瓷摻雜改性研究

隨著壓電陶瓷愈加廣泛的應(yīng)用，壓電陶瓷得到不斷發(fā)展，主要體現(xiàn)在摻雜、工藝及尋找更高元系復(fù)合。所以，二元、三元系的壓電陶瓷的壓電介電性能已經(jīng)不能滿足各個領(lǐng)域的要求，高性能多元壓電陶瓷的開發(fā)已經(jīng)得到廣泛的重視[12]。隨著人類文明的發(fā)展，低碳經(jīng)濟(jì)已經(jīng)得到世界各國的廣泛重視。低能耗已經(jīng)成為陶瓷生產(chǎn)必須克服的一大障礙，所以，針對這一問題，國內(nèi)外許多學(xué)者對不降低產(chǎn)品性能的前提下，降低燒結(jié)溫度進(jìn)行了較為深刻的研究。

離子摻雜后，固溶在晶粒內(nèi)部的離子會增加體系的Gibbs自由能，從而提高燒結(jié)驅(qū)動力;在晶界上偏聚的離子會形成低熔點(diǎn)化合物，從而成為晶粒之間的“粘接劑”。所以通常燒結(jié)溫度比未摻雜的壓電陶瓷的燒結(jié)溫度低。PZN-PMnN-PZT壓電陶瓷具有低的介電損耗，高的Curie溫度和kp值等優(yōu)良性能[13]。Cu2+摻雜入陶瓷中進(jìn)行A位取代，通過傳統(tǒng)固相燒結(jié)后，發(fā)現(xiàn)其燒結(jié)溫度降低了350℃，成品致密度并沒有降低，而且其壓電介電性能得到改善[14]。硅酸鹽具有較低熔點(diǎn)，在壓電陶瓷燒結(jié)時，加入適量的Si4+，陶瓷的燒結(jié)溫度大大下降，而且壓電性能均得到較大提升;但Si含量繼續(xù)增加后，會使陶瓷中出現(xiàn)非晶相，惡化其性能[15]。對于變價離子Cr，在陶瓷中出現(xiàn)Cr3+、Cr5+，隨著Cr2O3量增加時，Cr5+向低價態(tài)的Cr3+轉(zhuǎn)變可能進(jìn)行復(fù)雜的A、B位摻雜;在適量范圍內(nèi)陶瓷燒結(jié)溫度得到下降，由于硬性摻雜，其Kp略微減小[16]。

對于更高元系的壓電陶瓷，國內(nèi)天津大學(xué)孫清池等研究人員也進(jìn)行了系統(tǒng)的分析研究。PZN—PSN—PMS—PZT系壓電陶瓷中加入Sr2+、Ba2+來取代A位的Pb后，Curie溫度稍有下降，但是介電性能得到明顯提高[17]。

5總結(jié)及展望

對于不同元系的陶瓷摻雜是相當(dāng)值得研究的一大重要科學(xué)問題。摻雜后的壓電陶瓷綜合性能可以得到明顯的改善;不同離子的摻雜會分別起到軟性摻雜和硬性摻雜的效果;往往復(fù)合摻雜會得到更好的性能提升效果。

（1）利用納米摻雜，改良傳統(tǒng)加工工藝的方法改善鈮酸鹽基無鉛壓電陶瓷的無鉛壓電陶瓷的壓電常數(shù)偏低，居里溫度范圍不合適等缺點(diǎn);

（2）尋找合適的元素與配比，改良壓電陶瓷的壓電常數(shù)，提高它的居里溫度，減小它與PZT性能的差距。細(xì)化BNT基無鉛壓電陶瓷，使之電導(dǎo)率增大，從而減小極化的難度;

（3）積極開展壓電鐵電的基礎(chǔ)知識的研究，提高并完善壓電理論，發(fā)明不同于傳統(tǒng)陶瓷的材料，取而代之。

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