收稿日期：0925 PNSZT系准同型相界附近压电陶瓷的研究 黄新友，高春华

收稿日期：0925 PNSZT系准同型相界附近压电陶瓷的研究 黄新友，高春华 09.25 PNSZT 黄新友，高春华 （江苏大学，江苏镇江，212013） ：借助X-射线衍射仪（XRD），采用传统含铅压电陶瓷制备工艺研究了Zr/Ti对准同型相界（三方/四方相共存）附近铌锑锆钛酸铅（Pb(NbSb)TiO-PbTiO-PbZrO）((NbSb)=0.02mol)(PNSZT)压电陶瓷1/21/23331/21/2机电性能、相组成和晶格常数的影响。得到了综合性能好的压电陶瓷，其平面机电耦合系数（Kp）为58%，介电常数（ε）为2200，机械品质因数为600。该压电陶瓷能用于制作电声换能器和传感器等。 压电陶瓷，传感器，相界，铌锑锆钛酸铅 Huang Xinyou,Gao Chunhua (School of Materials Science and Engineering ,Jiangsu University,Zhenjiang,212013) Abstract:The influence of Zr/Ti on the mechanical and electrical properties ,phase composition,lattice constant of lead niobium stibium zirconate titanate(Pb(NbSb)TiO-PbTiO-PbZrO) ((NbSb)=0.02mol)(PNSZT) 1/21/23331/21/2piezoelectric ceramics ,in which there are tetragonal and rhombohedral phases coexistent (morphotropic phase boundary,MPB),was studied by conventional containing lead piezoelectric ceramic processing and X-ray diffraction(XRD).The piezoelectric ceramics having optimum comprehensive properties has been obtained which planar electromechanical coupling factor (Kp) is 58%,dielectric constant is 2200,mechanical quality factor is 600.The obtained piezoelectric ceramics is suitable to be used for sensor and so on. Key words:piezoelectric ceramics ,sensor,phase boundary ,lead niobium-stibium zirconate-titanate 锆钛酸铅（PZT）及其三元、四元系压电陶瓷具有优异的压电、介电和光电等电学性能， 广泛地应用于电子、测控、航天等高技术领域，用于制备传感器、换能器、存储器等电子元 器件，是一种很有发展前途的功能材料。铌锑锆钛酸铅（Pb(NbSb)TiO-PbTiO-PbZrO）1/21/2333 （简为：PNSZT）是PZT基三元系压电陶瓷，当(NbSb)=0.02mol时，具有良好的机电性1/21/2[1，2]能，它能广泛应用于车辆番号自动读出装置、超声传感器、滤波器振子、水声送受振子 等。为了得到大的压电活性，通常将Zr/Ti选择在准同型相界（三方/四方相共存）附近， [2]由于制造工艺和掺杂物的影响，相界具有一定的区域而且有变化。为了探明相界区Zr/Ti 对PNSZT压电陶瓷结构和性能影响的机理，本文选择掺杂Sr和Mn的铌锑锆钛酸铅 （(NbSb)=0.02mol）系相界处陶瓷，研究Zr/Ti对其性能和结构的影响，探讨了Zr/Ti1/21/2 对性能影响机制。 实验基本配方为过量1.0%（质量分数）的PbO,掺杂了SrO和MnO的PNSZT压电陶瓷，34 其中的(NbSb)=0.02mol，并改变Zr/Ti（摩尔），所用原料为化学纯原料。采用常规的含1/21/2 铅压电陶瓷工艺制备样品，在110-130?硅油中按3-4KV/mm的电场极化15-20min,然后经过48小时老化，测试性能，对样品进行征。 T/ε,简记为ε，文中其它地方均一样）、机械品质因数（Qm）。 330 将制备好的极化的样品老化48小时后，采用传输线路法测试样品的平面机电耦合系数 将样品除去电极，然后在研罐中研细过250目筛作为X射线衍射（XRD）的样品，采（Kp）、介电常数（ε 用XRD对制备的样品进行分析，然后确定样品的物相组成和晶格常数。XRD分析是在理学D/max-rB的X射线衍射仪上进行，其条件为：铜靶，石墨单色器，40KV常压和100mmA管流、扫描速度为10?/min。将所得到的衍射数据利用计算机处理进行物相分析和晶格常数确定。 当(NbSb)=0.02mol时，Zr/Ti（摩尔）与样品的机电性能的关系示于图1。从图11/21/2 可知，随着Zr/Ti（摩尔）增加，样品的介电常数（ε）和平面机电耦合系数（Kp）先增加后减少，而机械品质因数（Qm）逐渐减少，开始减少幅度较大，随后减少幅度较小。当 Zr/Ti=54/44（摩尔）时，介电常数（ε）和平面机电耦合系数（Kp）达到最大，分别为ε=2200，Kp =58%。此时的机械品质因数（Qm）为600。 图1 Zr/Ti与PNSZT样品的ε、Kp和Qm的关系 Fig.1 Relationship between Zr/Ti and ε、Kp and Qm of PNSZT sample 对不同Zr/Ti样品（极化后）进行XRD分析，根据分析结果可知，样品均是由三方相、 四方相组成，这说明相界有一定范围，它们的定量特征线强度（I、I）列于表1，由TR f=I/(I+I)、f=1-f可求出样品中四方相、三方相含量，并列于表1。从表1可知，随着 TTTRRT 表1不同Zr/Ti PNSZT样品相组成 Table 1 The phase composition of various Zr/Ti PNSZT samples Zr/Ti(mol) I I f(%) f(%) TRTR 52/46 651 466 58.30 41.90 53/45 639 543 54.04 45.96 54/44 628 621 50.27 49.73 56/42 610 672 47.60 52.40 Notes:I,I are separately quantitative characteristic line XRD intensity,f,f are separately TRTRphase content for tetragonal phase and rhombohedral phase Zr/Ti的增加样品中四方相含量不断减少，而三方相含量逐渐增加，Zr/Ti为54/44时四方相和三方相含量近似相等。 、T a、α逐渐减少，C、C/a逐渐增大。 RTTT 对不同Zr/Ti样品（极化后）进行XRD分析，将分析的结果结合计算机处理，得到不同 表2不同Zr/Ti PNSZT样品晶格常数 Zr/Ti样品的晶格常数，列于表2。由表2可知，随着Zr/Ti的减少，样品的晶格常数中a Table 2 The lattice constant of various Zr/Ti PNSZT samples Zr/Ti(mol) a/nm C/nm /a Ca/nm α/? RTTTT 56/42 0.40482 0.41030 0.40727 1.0135 89.703 54/44 0.40381 0.41180 0.40696 1.0200 89.682 53/45 0.40320 0.41210 0.40604 1.0221 89.673 52/46 0.40270 0.41240 0.40550 1.0241 89.669 Notes: a ,Care tetragonal phase lattice constant , a α are rhombohedral phase lattice R ,TT constant 在四方相中，自发应变ΔZ=C/a－1，三方相中，ΔZ=（π/2-α）。在四方相区，随着Zr/Ti增加，C/a下降，ΔZ减小，这样矫顽场降低，从而畴运动容易，单位电场的极化强度增大，提 高介电常数。畴运动容易，使90?畴转向率提高，剩余极化（Pr）是自发极化（Ps）与畴转向数目的乘积，使Pr上升，Kp增大。C/a减小很多即Ps下降较大时Pr下降，Kp就会减[1，2]小。相界是三方相、四方相共存，提高了自发极化的取向，增加了Ps，因此，相界附近具有最大的Kp。至于相界的最大介电常数，可以从介电常数的热力学展开式中的系数D的 [3]变化来说明，在相界D=0，导致相界处介电常数异常大。“相界”应理解为两相含量相等的 组分，因此，两相含量相等的样品Kp和ε达到最大，其他相组成的样品Kp和ε较小。相界附近的组分，因三方和四方相共存，电偶极矩有较多的可能取向，在人工极化处理时，电偶 [2]极矩沿电场排列的程度较高，这是相界附近压电活性强的一种可能机制。 通过研究Zr/Ti对准同型相界（三方/四方相共存）附近PNSZT陶瓷结构和性能的影响， 得到如下的结论： （1）得到综合性能好的压电陶瓷，其性能为：其平面机电耦合系数（Kp）为58%，介电常数（ε）为2200，机械品质因数为600。该压电陶瓷能用于制作电声换能器和传感器等。 （2）Zr/Ti对准同型相界（三方/四方相共存）附近PNSZT陶瓷结构和性能有较大的影 响。 （3）采用普通含铅压电陶瓷工艺制备的陶瓷，由于组成波动，具有大的三方/四方相共存区，相界有一定的范围，且在三方相、四方相含量相等处具有最大的压电活性。 [1]田中哲郎（日）等.压电陶瓷材料[M].陈俊彦，王余君译.北京：科学出版社，1982 [2]张沛霖，钟维烈，等.压电材料与器件物理[M].济南：山东科学技术出版社，1997，4 [3]林声和，王裕斌.压电陶瓷[M].北京：国防工业出版社，1980