Page 31 - 机械工程材料2024年第十一期

2024 年 11 月 第 48 卷 第 11 期 Vol. 48 No. 11 Nov. 2024

DOI：10. 11973/jxgccl230535

Cr O 掺杂 BS-PMS-PZT 大功率压电陶瓷的
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电学性能及温度稳定性

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王加康 1, 2 ，王一平 ，刘 浩 1, 2 ，杨 颖 1
（南京航空航天大学 1. 航空航天结构力学及控制全国重点实验室，2. 材料科学与技术学院，南京 210016）

摘 要： 采用固相 烧结法制备掺 杂不同原子分 数（0~0.8%）Cr 2 O 3 的 0.05BiScO 3 -
0.05Pb（Mn 1/3 Sb 2/3 ）O 3 -0.9Pb（Zr 0.45 Ti 0.55 ）O 3 陶瓷，研究了Cr 2 O 3 掺杂量对陶瓷微观结构、电学性能
及温度稳定性的影响。结果表明：不同Cr 2 O 3 掺杂量陶瓷均为钙钛矿结构，未检测到杂相峰；随着
Cr 2 O 3 掺杂量的增加，陶瓷的三方相逐渐出现且含量增加，四方相含量略有下降，平均晶粒尺寸不断
增大，相对密度先增大后减小。随着Cr 2 O 3 掺杂量的增加，陶瓷的压电常数与机械品质因数均先升
后降，介电损耗增大，机电耦合系数基本先增后减，居里温度降低；当Cr 2 O 3 原子分数为0.4%时，陶
瓷的综合电学性能最佳，并且温度稳定性良好，从室温到260 ℃， 压电常数下降率仅为32%，低于
DM-8型商用PZT-8改性压电陶瓷 （53%）。
关键词： 大功率压电陶瓷；元素掺杂；电学性能；温度稳定性
中图分类号：TM282 文献标志码：A 文章编号：1000-3738（2024）11-0023-06

0 引 言 瓷的机电耦合系数可以在MPB区域进行较宽范围
内的调节，同时压电陶瓷的机械品质因数比较高，介
压电陶瓷由于具有机电性能优异、可批量化生
质损耗小，稳定性高。然而，过多地引入弛豫型组元
产、成本低廉和应用场合宽广等优点，在压电功能器
［6］
PMS会降低陶瓷的四方度，导致居里温度下降 。
件中得到日益广泛的应用。为了满足不同器件的工
EITLE等 ［7］ 指出含有较小容忍因子BiScO 3 （BS）组
作模式与环境，开发并完善符合实际需求的压电陶
瓷至关重要 ［1-3］ 。其中，应用于大功率压电器件的压 元的多元系压电陶瓷具有高于PZT压电陶瓷的居
里温度，0.36BiScO 3 -0.64PbTiO 3 二元系压电陶瓷在
电陶瓷需具有良好的致密性以提高其在持续收缩提
其MPB区域表现出优异的压电性能，压电常数为
供驱动力过程中的抗裂能力，同时还需具有高压电
460 pC · N −1 ，居里温度可达450 ℃。YIN等 ［8］ 研究
常数和高机电耦合系数以获得更大的输出功率。此
发现，引入非弛豫型组元BS对于提高PZT基压电
外，压电陶瓷还应具备高机械品质因数和低介电损
陶瓷的温度稳定性具有正向影响，但是会导致陶瓷
耗，以减轻温度升高导致的退极化现象；现阶段大功
机械品质因数降低，大功率特性表现并不突出。目
率压电器件的使用温度一般控制在压电陶瓷完全退
极化温度的 1/2 以下 ［4-5］ 。由此可见，高压电常数、 前，少有在PMS-PZT系压电陶瓷中引入BS的研究。
元素掺杂是提升电学性能的常用方法之一，其中掺
高机电耦合系数、高机械品质因数和低介电损耗是
杂铬元素可以促进晶粒长大和陶瓷致密化 ［9-10］ 。同
大功率压电器件用压电陶瓷的重要性能要求。
4+
时，由于Cr 5+ 和Cr 3+ 半径与Zr 、Ti 4+ 接近，铬离子
锑锰酸铅-锆钛酸铅（PMS-PZT） 三元系压电
4
陶瓷在准同型相界（MPB）区域具有高机电耦合系 可以取代PZT基钙钛矿结构中B位的Zr 4+ 和Ti 并
数和高机械品质因数，因此在大功率压电器件应用 生成铅、氧空位，这意味着在BS-Pb（MgNb）O 3 -PZT
陶瓷中掺杂Cr 2 O 3 会产生受主（软性）、施主（硬性）掺
领域受到关注。添加PMS组元后PMS-PZT压电陶
杂双重作用，从而提高陶瓷综合性能 ［11］ 。因此，作者
采用固相烧结法制备了掺杂Cr 2 O 3 的BS-PMS-PZT
收稿日期：2023-11-07；修订日期：2024-09-01
陶瓷，研究了Cr 2 O 3 掺杂量对陶瓷微观结构、电学性
基金项目：国家自然科学基金联合基金资助项目（U2037603）
能及温度稳定性的影响，以为开发具有优异综合机
作者简介： 王加康（1997—），男，山东临沂人，硕士研究生
导师：王一平教授 电性能的大功率压电陶瓷提供参考。
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