Page 32 - 机械工程材料2024年第十一期
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王加康，等： Cr 2 O 3 掺杂BS-PMS-PZT大功率压电陶瓷的电学性能及温度稳定性


              1 试样制备与试验方法                                       行变温压电常数谱测试。

                  试验原料包括PbO粉末（纯度大于 99.9%）、                      2 试验结果与讨论
              MnO 2 粉末（纯度大于99.99%）、Sb 2 O 3 粉末（纯度大于
                                                                2.1 物相组成与微观结构
              99.99%）、TiO 2 粉末（纯度大于99.99%）、ZrO 2 粉末（纯
                                                                     由图1可见，不同Cr 2 O 3 掺杂量陶瓷均为钙钛矿
              度大于 99.99%）、Bi 2 O 3 粉末（纯度大于 99.999%）、                                   ［12］
                                                                结构，且未检测到杂相峰               ，说明采用的烧结制度
              Sc 2 O 3 粉末（纯度大于 99.999 9%）和Cr 2 O 3 粉末（纯         适合该陶瓷的合成。随着Cr 2 O 3 掺杂量的增加，2θ
              度大于99.9%） ，均由上海阿拉丁生化科技股份有限
                                                                为22°和45°附近的衍射峰均出现合并现象，当Cr 2 O 3
              公司提供；电极浆料选用F14015型高温银浆，由广
                                                                掺杂量（原子分数，下同）为0.6%时，出现了陶瓷三
              州三则电子材料有限公司提供。                                    方相（200） R 晶向衍射峰，当掺杂量达到0.8%时，该
                  采用固相烧结法制备掺杂Cr 2 O 3 的0.05BiScO 3 -
                                                                衍射峰强度增大，四方相衍射峰强度略有下降，表明
              0.05Pb（Mn 1/3 Sb 2/3 ）O 3 -0.9Pb（Zr 0.45 Ti 0.55 ）O 3 （0.05BS-          3+           4+
                                                                陶瓷的四方度下降。Cr             的半径和Ti       接近，会取
              0.05PMS-0.9PZT）陶瓷：将原料于 80  ℃干燥 12 h                    4+
                                                                代Ti    占据钙钛矿结构的B位，导致尺寸和价态失
              后，按 照 0.05BS-0.05PMS-0.9PZT+xCr 2 O 3 （ x=0，
                                                                配。尺寸失配产生的随机应变与价态失配产生的局
              0.2%，0.4%，0.6%，0.8%，原子分数）进行配料，再
                                                                部电场造成了晶格畸变与结构相变。三方相数量的
              额外添加原子分数均为 2%的PbO和Bi 2 O 3 ；将配                                            ［5］
                                                                增加会导致居里温度下降 ，可通过调控三方相含
              制好的原料粉末放入装有氧化锆球（直径2 mm）的                          量使陶瓷具有不同的居里温度，从而得到适用于不
              聚四氟乙烯罐中，以无水乙醇作为球磨介质在QM-
                                                                同使用温度的压电陶瓷。
              3S4P型球磨机上球磨4 h，球磨转速为300 r · min            −1 ，
              原料、氧化锆球和乙醇的质量比为1∶3∶1；将球磨后                                     (001)  (101)  (111)  (002)  (200)  (102)  (201)  (112)  (211)  (200) R (200) T
              的粉末烘干，在850 ℃下煅烧2 h，按照前述条件再                                    0.8%
                                                                                                  (002) T
              次球磨6 h，烘干，加入适量质量分数6%聚乙烯醇                                      0.6%
             （PVA） 溶液进行造粒，在200 MPa压力下压制成尺                                 强度  0.4%
              寸为ϕ10 mm×1 mm的圆片，在 600  ℃下排胶 2 h，                             0.2%
              1 120 ℃下烧结2 h后随炉冷却。                                            0
                                                                                      50
                  采用Empyrean锐影X射线衍射仪 （XRD）对烧                              20  30  40  2θ/(°)  60  44  46
              结后的陶瓷进行物相分析，采用铜靶，K α 射线，工                          图 1 不同 Cr 2 O 3 掺杂量 0.05BS-0.05PMS-0.9PZT 陶瓷的 XRD 谱
              作电压为 45 kV，工作电流为 40 mA，扫描范围为                        Fig. 1 XRD patterns of 0.05BS-0.05PMS-0.9PZT ceramics with
              20°~60°， 扫描速率为2 （°）· min    −1 ，使用Jade软件分                      different Cr 2 O 3  doping amounts
              析XRD谱。采用阿基米德排水法测试陶瓷密度，计                                由图 2 可见：随着Cr 2 O 3 掺杂量的增加，陶瓷
              算相对密度。采用TESCANVega3型扫描电子显微                        的平均晶粒尺寸增大，孔洞数量先减少后增加，当
              镜（SEM） 观察陶瓷的断面形貌。将烧结后的陶瓷打                         Cr 2 O 3 掺杂量为0.6%时，孔洞数量最少；不同Cr 2 O 3
              磨至厚度为0.5 mm，采用丝网印刷方法被电极，在                         掺杂量陶瓷中均未出现第二相，表明掺杂的Cr 2 O 3 均
              800 ℃下固化10 min。采用安捷伦4294A型阻抗分                     溶入到陶瓷晶粒中。由图3可见：掺杂Cr 2 O 3 后陶瓷
              析仪和巨浪科技RT1600型控制器测试介电温谱，温                         的相对密度均大于未掺杂Cr 2 O 3 陶瓷，并且相对密度
              度为30~400 ℃， 频率为10 kHz。将陶瓷置于120 ℃                  随着Cr 2 O 3 掺杂量的增加先增后减，当Cr 2 O 3 掺杂量
              硅油中，以45 kV · cm     −1 的直流电场极化15 min，室            为0.6%时达到最大。掺杂Cr 2 O 3 会促进晶粒长大，
              温放置24 h后，采用ZJ-3A型准静态压电仪测试压                        导致孔洞数量减少；但当掺杂量超过0.6%后，晶粒
              电常数，夹持力为0.25 N。采用安捷伦4294A型阻                       生长速度过快导致晶粒间气体未能及时排出而形成
              抗分析仪配合1654E型夹具通过谐振-反谐振法测                          气孔缺陷     ［13］ ，从而造成孔洞数量的增加和相对密度
              试机械品质因数和机电耦合系数等。采用PEMS-                           的下降。

              600型准静态压电温谱仪测试变温压电常数谱，温度                          2.2 压电与介电性能
              为30~350 ℃， 夹持力为0.25 N。为了对比，对已进                         由图4可见：随着Cr 2 O 3 掺杂量的增加，陶瓷的
              行极化处理的DM-8型商用PZT-8改性压电陶瓷进                         压电常数与机械品质因数均先升后降，压电常数在
               24
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