溫度穩(wěn)定劑摻雜PLZT-PZN-PNN-PSN壓電陶瓷及安防報(bào)警器的制備與性能研究

摘 要：采用固相燒結(jié)法制備了溫度穩(wěn)定劑摻雜PLZT-PZN-PNN-PSN的壓電陶瓷。通過(guò)XRD對(duì)組分進(jìn)行物相分析，并研究了不同溫度穩(wěn)定劑摻雜量對(duì)組分的密度及壓電介電性能的影響，并裝備成安防報(bào)警器，分析了安防報(bào)警器的性能。研究表明：不同溫度穩(wěn)定劑含量摻雜組分的密度先增大后減小，在x=0.02處最為致密；樣品均為呈現(xiàn)單一的ABO3型鈣鈦礦結(jié)構(gòu)。隨著溫度穩(wěn)定劑含量的增加，壓電介電性能先增大后減小，在x=0.02處性能最優(yōu)，即相對(duì)介電常數(shù)（εr）：3408、壓電常數(shù)（d33）：611pC/N、平面機(jī)電耦合系數(shù)（Kp）：0.78。將最優(yōu)組分制備的安防報(bào)警器在高低溫環(huán)境下測(cè)試的聲壓≥85dB，滿足市場(chǎng)使用要求。

關(guān)鍵詞：PLZT-PZN-PNN-PSN壓電陶瓷" 溫度穩(wěn)定劑" 安防報(bào)警器" 壓電和介電性能

1 前言

壓電陶瓷作為機(jī)電轉(zhuǎn)換陶瓷，是利用鋯鈦酸鉛（PZT）或摻雜成三元系、四元系壓電陶瓷制作成壓電致動(dòng)器、超聲傳感器、超聲換能器、加速度傳感器、壓電傳感器及壓電電聲器件等產(chǎn)品，在醫(yī)療、監(jiān)測(cè)、汽車、安防報(bào)警等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。隨著社會(huì)的長(zhǎng)足進(jìn)步，人們安全意識(shí)不斷提升，從而促使安防報(bào)警器得到良性的發(fā)展，但由于使用環(huán)境的差異，對(duì)安防報(bào)警器的要求也越來(lái)越高，對(duì)安防報(bào)警器的穩(wěn)定性提出更高的要求[1-3]。壓電陶瓷作為應(yīng)用于安防報(bào)警器的重要元件，在要求壓電陶瓷具有高介電和壓電性能的同時(shí)，還要求能在-55～125℃的條件下，循環(huán)溫度沖擊20次以上后，其靜電容量變化率控制在±10%，且-40℃、80℃高低溫測(cè)試靜電容量變化率在±20%左右，傳統(tǒng)的鋯鈦酸鉛（PZT）無(wú)法達(dá)到上述要求[4-5]。通過(guò)對(duì)鋯鈦酸鉛陶瓷體系摻雜元素形成三元系、四元系，雖然能夠提高壓電陶瓷材料的介電和壓電性能，但是溫度穩(wěn)定性較差，達(dá)不到溫度沖擊要求。

本研究基于上述背景主要研究溫度穩(wěn)定劑摻雜PLZT-PZN-PNN-PSN五元系壓電陶瓷材料的性能；優(yōu)化材料配方，獲得綜合性能優(yōu)異的壓電陶瓷，并制備出高穩(wěn)定性的安防報(bào)警器，在市場(chǎng)上得到廣泛應(yīng)用。

2實(shí)驗(yàn)

2.1樣品的制備

樣品的基本組成為：0.89Pb0.99La0.01（Zr0.50Ti0.50）O3-0.05Pb（Zn1/3Nb2/3）O3-0.05Pb（Ni1/3Nb2/3）O3-0.01Pb（Sb1/3Nb2/3）O3+xwt%其中x=0.01，0.015，0.02，0.025，0.03;x為溫度穩(wěn)定劑主要由不同配比的三氧化鋁、氧化鎢、氧化鈰組成。

根據(jù)上述的組分采用固相燒結(jié)法制備實(shí)驗(yàn)樣品。

選用材料見(jiàn)表1所示。

實(shí)驗(yàn)根據(jù)表1所列出的材料，按照組分比例計(jì)算并稱量，之后按照?qǐng)D1流程圖進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

圖1中，球磨時(shí)間4h；預(yù)燒溫度930℃；成型壓力10MPa；燒結(jié)溫度1300℃；機(jī)加厚度1mm；極化電壓2.0kv。測(cè)試介電壓電性能后進(jìn)行溫沖試驗(yàn)和高低溫試驗(yàn)；測(cè)試后選出性能優(yōu)異的配方制備壓電瓷片并裝配成安防報(bào)警器，測(cè)試報(bào)警器性能。

2.2 樣品表征

陶瓷樣品的密度用排水法測(cè)定。按照公式計(jì)算出陶瓷樣品的體積密度：

其中：ρ—陶瓷樣品的密度；m空—陶瓷樣品在空氣中的質(zhì)量；一陶瓷樣品在水中的質(zhì)量。

靜電電容用TH2617型電容測(cè)試儀測(cè)量；樣品物相用pert-PRO型XRD衍射儀分析；諧振頻率fs（kHz）和反諧振頻率fp（kHz）用ZX80A型阻抗儀進(jìn)行測(cè)量；壓電常數(shù)（d33，pC/N）用ZJ-3A型準(zhǔn)靜態(tài)d33測(cè)量?jī)x測(cè)量。相對(duì)介電常數(shù)（εr）和機(jī)電耦合系數(shù)（Kp）可通過(guò)下式計(jì)算[6]：

其中，C0為靜電電容（單位：pF）。

在溫沖試驗(yàn)箱內(nèi)進(jìn)行溫沖試驗(yàn)，試驗(yàn)溫度：-55～125℃；每半小時(shí)循環(huán)溫沖一次，進(jìn)行20次溫沖試驗(yàn)；在高低溫烘箱內(nèi)進(jìn)行高低溫試驗(yàn)，試驗(yàn)溫度：-40℃和80℃，試驗(yàn)時(shí)間0.5h。裝備的安防報(bào)警器，在高低溫環(huán)境下，用聲級(jí)計(jì)測(cè)試其聲壓，測(cè)試距離3m，試驗(yàn)溫度：-30℃和45℃。

3實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

3.1陶瓷的密度分析

通過(guò)上述方式，測(cè)得陶瓷樣品的密度見(jiàn)圖2所示。

從圖2看出，x≤0.02時(shí)，密度逐步在增長(zhǎng)，從7.56g/cm3增長(zhǎng)至7.68g/cm3，xgt;0.02時(shí)，密度開(kāi)始下降，下降至7.59g/cm3。這是因?yàn)闇囟确€(wěn)定劑離子半徑比較小，微量摻入組分中，填補(bǔ)了晶格缺陷，使組分逐步變得致密；當(dāng)摻雜到達(dá)一定的飽和度后，會(huì)使晶格膨脹，導(dǎo)致密度略有下降。

3.2陶瓷的物相分析

不同量的溫度穩(wěn)定劑摻雜到組分中獲得的衍射結(jié)果見(jiàn)圖3所示。

從圖3看出，所有樣品均是鈣鈦礦結(jié)構(gòu)（ABO3型），圖中溫度穩(wěn)定劑含量在0.02～0.03范圍內(nèi)，樣品在2θ=44～46°處出現(xiàn)（200）和（002）的衍射雙峰，這說(shuō)明樣品物相在準(zhǔn)同型相界附近。當(dāng)xgt;0.02時(shí)，特征雙峰又逐漸寬化，主要原因是不同量的溫度穩(wěn)定劑摻雜組分中導(dǎo)致晶格畸變。雖然溫度穩(wěn)定劑摻雜的含量在0.03以內(nèi)陶瓷處于準(zhǔn)同型相界附近，但是x=0.02時(shí)，陶瓷的準(zhǔn)同型相界結(jié)構(gòu)最穩(wěn)定。

3.3 陶瓷的電性能分析

不同量的溫度穩(wěn)定劑摻雜到組分中測(cè)得的電性能見(jiàn)圖4所示。

從圖4看出，隨著摻雜量（x）的增加，組分的壓電常數(shù)（d33）、相對(duì)介電常數(shù)（εr）、平面機(jī)電耦合系數(shù)（Kp）先增大后減小，在x=0.02處，獲得最大值，即壓電常數(shù)（d33）：611pC/N、相對(duì)介電常數(shù)（εr）：3408、平面機(jī)電耦合系數(shù)（Kp）：0.78。這是由于溫度穩(wěn)定劑摻雜造成晶體結(jié)構(gòu)產(chǎn)生晶格畸變，極化時(shí)有利于電疇作90°轉(zhuǎn)向，從而提高介電性能和壓電性能。但是摻雜量進(jìn)一步增加，使準(zhǔn)同型相界結(jié)構(gòu)變得不穩(wěn)定，導(dǎo)致壓電介電性能變化不穩(wěn)定，當(dāng)x=0.02處，壓電介電性能最佳。

3.4 溫度試驗(yàn)

不同量溫度穩(wěn)定劑摻雜組分的溫沖試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2；不同量溫度穩(wěn)定劑摻雜組分的高低溫試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表3。

從表2，表3試驗(yàn)數(shù)據(jù)看出，溫度穩(wěn)定劑加入后，各個(gè)組分的電容變化率都比較小，尤其是x=0.02時(shí)，容量的變化率最小，說(shuō)明溫度穩(wěn)定性最好。

3.5 安防報(bào)警器試驗(yàn)

將溫度穩(wěn)定劑x=0.02的配方制備成壓電元件，裝備成安防報(bào)警器，見(jiàn)圖5；高低溫環(huán)境下測(cè)試的聲壓見(jiàn)表4所示。

從表4數(shù)據(jù)看出，在高低溫環(huán)境下，測(cè)試的聲壓≥85dB；滿足市場(chǎng)使用要求。x=0.02溫度穩(wěn)定劑摻雜組分制備的安防報(bào)警器目前已在市場(chǎng)上獲得廣泛應(yīng)用。

4 結(jié)論

（1）不同溫度穩(wěn)定劑含量摻雜組分的密度先增大后減小，在x=0.02處最為致密。

（2）不同溫度穩(wěn)定劑含量摻雜組分的樣品均呈現(xiàn)單一的ABO3型鈣鈦礦結(jié)構(gòu)，壓電介電性能先增大后減小，在x=0.02處性能最優(yōu)，即壓電常數(shù)（d33）：611pC/N、相對(duì)介電常數(shù)（εr）：3408、平面機(jī)電耦合系數(shù)（Kp）：0.78。

（3）最優(yōu)組分制備的安防報(bào)警器在高低溫環(huán)境下測(cè)試的聲壓≥85dB，滿足市場(chǎng)使用要求。

參考文獻(xiàn)

[1]張?jiān)桑娒簦瑥堨o，等.A位摻雜對(duì)BF-PZT壓電陶瓷性能的影響[J].中國(guó)陶瓷工業(yè).2020，27（4）：10-13

[2]張?jiān)桑娒簦瑥堨o，等.A位和B位摻雜PZT壓電陶瓷的性能對(duì)比分析[J].中國(guó)陶瓷工業(yè).2020，27（5）：12-15

[3]張?jiān)桑娒簦覞?PZT-PSN-PNN-BF五元系壓電纖維陶瓷材料及其制備方法[P].中國(guó)專利：CN202210989278.0，2022-08-17

[4]張?jiān)桑覞瑥堨o，等.一種耐溫度沖擊的壓電陶瓷材料及其制備方法[P].中國(guó)專利：CN201811539037.6，2018-12-17

[5]張?jiān)桑瑥堨o，燕周民，等.低電容變化率壓電陶瓷元件、壓電陶瓷及其制作方法[P].中國(guó)專利：CN201811257620.8，2018-10-26

[6]山東大學(xué)壓電鐵電物理教研室.壓電陶瓷及其應(yīng)用[M].山東：山東人民出版社.1974.

Preparation and Properties of Temperature Stabilizer doped PLZT-PZN-PNN-PSN Piezoelectric Ceramics and Security alarm

DAI Zhao-bo，ZHANG Yuan-song，ZHANG Zhen-xuan，QIN Jie

（ Guizhou Zhenhua Hongyun Electronics CO.， LTD， Guiyang 550018， China）

Abstract： The temperature stabilizer doped PLZT-PZN-PNN-PSN piezoelectric ceramics were prepared by solid state sintering method.The effect of doping amount of different temperature stabilizer on the density and piezoelectric properties of the components was studied by XRD. The components were equipped with a security alarm and the performance of the alarm was analyzed.The results showed that the density of doping components increased at first and then decreased at x = 0.02， and the samples with different contents of temperature stabilizers showed a single ABO3 perovskite structure.With the increase of the content of the temperature stabilizer， the piezoelectric and dielectric properties first increase and then decrease， and the performance is the best at x = 0.02， that is， the relative dielectric constant （εr ）：3408， the piezoelectric constant（d33）： 611pC/N， the plane electromechanical coupling coefficient（Kp）： 0.78.The sound pressure of the alarm made of the optimum composition is more than 85 dB under high and low temperature environment， which meets the requirement of the market.

Keywords： PLZT-PZN-PNN-PSN piezoelectric ceramics; temperature stabilizer; security alarm;piezoelectric and dielectric properties