Page 34 - 机械工程材料2024年第十一期

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

400
900 0.57 0.48
380
压电常数/(pC·N -1 ) 360 800 机械品质因数 机电耦合系数 0.56 0.42 介电损耗/%

0.55
340
700
320
300 600 0.54 0.36
0.53
280 500 0.30
0 0.2 0.4 0.6 0.8 0 0.2 0.4 0.6 0.8
Cr 2 O 3 原子分数/% Cr 2 O 3 原子分数/%
(a) 压电常数和机械品质因数 (b) 机电耦合系数和介电损耗
图 4 0.05BS-0.05PMS-0.9PZT 陶瓷的压电常数、机械品质因数、机电耦合系数和介电损耗随 Cr 2 O 3 掺杂量的变化曲线
Fig. 4 Piezoelectric constant and mechanical quality factor (a), electromechanical coupling coefficient and dielectric loss (b) vs Cr 2 O 3 doping
amount curves of 0.05BS-0.05PMS-0.9PZT ceramics
由图5可以看出：未掺杂Cr 2 O 3 陶瓷的居里温度 分子热运动加剧，陶瓷组分逐渐偏离MPB区域，陶
为310 ℃， 说明该组分陶瓷由铁电相转变为顺电相 瓷的压电性能下降，当达到完全退极化温度时，陶瓷
的温度较高；当Cr 2 O 3 掺杂量分别为 0.2%，0.4%， 完全转变为顺电相，此时压电常数降至0。在达到
0.6%，0.8%时，陶瓷的居里温度分别为 301，295， 完全退极化前，掺杂0.4% Cr 2 O 3 陶瓷的压电常数始
282，280 ℃。随着Cr 2 O 3 掺杂量增加，铬离子不断进 终最大。由图7可见，从室温至260 ℃，掺杂0.4%，
行B位取代，导致陶瓷的四方度下降，因此居里温度 0.6% Cr 2 O 3 陶瓷的压电常数下降率均约为32%，低
降低。 于DM-8型商用PZT-8改性压电陶瓷 （53%）。掺杂
0.4%，0.6%Cr 2 O 3 陶瓷的压电常数下降率相同，可
0
25 000 0.2%
0.4% 能是因为温度对偶极子和电畴活性的提高与对铁
20 000 0.6% 电畴长程有序的降低之间达到了平衡 ［18-19］ 。综上
0.8%
介电常数 15 000 所述，在四元体系大功率压电陶瓷中掺杂一定含量
10 000
度稳定性产生一定影响。
5 000 的Cr 2 O 3 不仅可以改善陶瓷的烧结性能，还会对温
0
50 100 150 200 250 300 350 400 400
温度/℃
图 5 不同 Cr 2 O 3 掺杂量 0.05BS-0.05PMS-0.9PZT 陶瓷的介电温谱 300
Fig. 5 Dielectric temperature spectra of 0.05BS-0.05PMS-0.9PZT 压电常数/(pC·N -1 ) 200
ceramics with different Cr 2 O 3 doping amounts 0
0.2%
由图 6 可见，不同Cr 2 O 3 掺杂量陶瓷的压电常 100 0.4%
0.6%
0.8%
0 DM-8型PZT-8陶瓷
数d 33 随着温度的升高呈阶梯式下降趋势：从室温
100 200 300
至100 ℃范围，压电常数未出现大幅下降；当温度在 温度/℃
100~200 ℃区间，压电常数开始明显减小；当温度 图 6 不同 Cr 2 O 3 掺杂量 0.05BS-0.05PMS-0.9PZT 陶瓷和 DM-8 型
在 200 ℃至完全退极化 （ d 33 =0）温度时，压电常数 商用 PZT-8 改性压电陶瓷的压电常数随温度的变化曲线
Fig. 6 Piezoelectric constant vs temperature curves of 0.05BS-
下降速率明显减慢。这与DM-8型商用PZT-8改性
0.05PMS-0.9PZT ceramics with different Cr 2 O 3 doping amounts
压电陶瓷的原位压电常数在完全退极化之前随温度 and of DM-8 commercial modified piezoelectric ceramics
的升高呈斜坡式下降不同。BS作为末端组元的引
3 结 论
入能进一步扩大相图上的MPB区域，使得三方相与
四方相能够在更广的MPB区域共存。在较低温度 （1）当烧结温度为1 120 ℃时，未掺杂和掺杂原
下，温度升高带来的偶极子重新定位排列，四方相 子分数 0.2%，0.4%，0.6%和 0.8%Cr 2 O 3 的 0.05BS-
与三方相的转变带来的压电常数下降被更广范围的 0.05PMS-0.9PZT陶瓷均为钙钛矿结构，未检测到杂
MPB区域所弥补，导致压电常数在相对低温时出现 相。随着Cr 2 O 3 掺杂量的增加，陶瓷三方相逐渐出现
阶梯式下降；在相对较高温度范围，随着温度升高， 并且含量增加，四方相含量略有下降，平均晶粒尺寸

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