孔隙率及晶粒尺寸对多孔pzt陶瓷介电和压电性能的影响及机理研究

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1、万方数据第55卷第6期2006年6月1000-3290／2006／55(06-)／3073—07物理学报ACTAPHYSICASINICAV01．55，No6，June，2006@2006ChinPhyssoc孔隙率及晶粒尺寸对多孔PZT陶瓷介电和压电性能的影响及机理研究曾涛+董显林毛朝梁梁瑞虹杨洪(中N科学院上海硅酸盐研究所，上海200050)(2005年11月25日收封；2005年12月14甘收到管改籍)采用添加造孔剂的方法制备多孔锆钛酸铅(PZT)陶瓷，并研究r孔隙率和晶粒尺寸对多孔trZT陶瓷介电和压电性能的影响及机理研究表明：孔隙率的增加降低了多子L

2、PZT陶瓷的介电常数，提高了静水压优值，并证明在一定条件下孔隙率与介电常数戈系可由Okazaki经验公式及Ban．o模型预测；晶粒尺寸增加，多孔PZT陶瓷的介电常数、压电系数和优值增加，并ar用Okazaki空间电荷理论解释晶粒尺寸对试样介电和压电性能的影响对于添加重量百分数为10％造孔剂的多孔PZT陶瓷，当烧结温度为1300"C时，fL隙率为34％⋯d达312pC／N接近致密PZT(350pC／N)，其静水压优值为致崭PZT的十几倍；介电常数和压电系数比具有相当优值的PZT聚台物复合材料高很多，在具有高是敏度的同时能更有效地抗外界干扰关键词：多孔PZT陶瓷，

3、静水压优值，压电性能，介电性能PACC：7760，7720，7820H1．引言PZT压电陶瓷因具有压电效应好、稳定性好及能实现机械信号和电信号相互转换等优点，广泛应用于水声换能器和水听器等领域“。31，水听器的灵敏度则取决于压电陶瓷的静水压优值(dh．g。)，其中，d、为静水压压电系数，g。为静水压电压系数尽管致密PZT陶瓷具有高的压电系数(d。d，，)，但由丁其d，，和d，，的方向相反导致静水压压电系数(d。=d。+2凼．)低，且致密PZT陶瓷具有高的介电常数，使其静水压电压系数(d。=g、／e)更低，因而致密P四陶瓷的静水压优值很低，另外致密PZT陶瓷还存

4、在声阻抗夫，与空气、水等媒介声阻抗匹配性差等问题．通常有两种方法来降低材料的密度、提高静水压优值．第一种是制备PZT聚合物复合材”。“，通过聚合物的加入极大地降低材料的介电常数，提高优值，但是低的介电常数使多孔阿陶瓷的电容很低，应用时易受干扰，另外PZT聚合物复合材料的制备工艺复杂且使用温度较低⋯．另一种制备工艺相对简单且材料使用温度更高的方法是制备多孔PZT陶瓷”11，多孔PZT陶瓷可通过调节孔隙率改善与水等媒介的声阻抗匹配，并可通过降低介电常数来提高优值．然而多孔PZT陶瓷也存在当孔隙率大时介电常数及压电系数都很低的问题．本研究的主要目的就是通过舔加造孔剂

5、和调节烧结温度，在引人孔隙的基础上提高晶粒尺寸以制备既具有高灵敏度又能有效抗外界干扰的多孔PZT陶瓷，并研究孔隙率、晶粒尺寸对多孔PZT陶瓷介电和压电性能的影响机理，促进多孔PZT陶瓷在水听器领域的实际应用．2．实验过程2。1．样品制备本实验通过添加造孔剂的方法制备多孔PZT陶瓷，造孔剂选择为聚甲基丙烯酸甲脂(PMMA)和糊精(dexlrin)．用湿式球磨法将PZT与造孔剂的混合粉末球磨6h，锆球作为球磨介质，酒精作为溶剂．混合粉末成分(质量分数)为：Pb(Zro。Ti。。)O，+0．5％的Nb205+口PMMA和Pb(Zr053Ti047)03+万方数据30

6、74物理学报55卷0．5％的Nh10；-I-口糊精，口=0，25％，5％，10％和12．5％，口=0，3％，6％，9％，12％，15％和18％，PMMA的粒度为120一170“m，糊精的粒度为20一40／,．m．将球磨后的浆料在室温中自然干燥后添加粉料重量7％的PVA液体并混合均匀，将混合后的粉末过筛并在200MPa下压成直径十16mm的圆片．根据造孔剂的热分析曲线，选择合理的升温速度升温全850。C排塑，将排塑好的素坏放人三重倒置的坩埚并覆盖PZT熟料以尽可能减少铅挥发，最后将样品在1200℃烧结2h．选择添加PMMA质量分数10％的样品分别在10．50℃，

7、1100℃，1150℃，1200℃，1250℃和1300℃烧结2h，以研究晶粒尺寸对多孔PzT陶瓷压电性能的影响．将烧结好的样品磨去表层、清洗，在真空F蒸银电极，然后将样品在120℃油浴，施加3--4kV／tnm直流电压并保压十分钟的条件下极化．2．2．分析测试用阿基米德排水法测量样品体积密度和孔隙率，并对样品进行XRD分析(Rigaku，RAX一10，日本)及用扫描电镜(SEM，JSM一6700F，JEOL，日本)观察样品的微观结构纵向压电系数(d。，)由准静态d，，测量仪(7J一3D，北京声学研究所)直接测得，用HP．4294A阻抗分析仪测样品的电容、介电

8、损耗和谐振与反谐振频率，然后结合样品的