锰掺杂铌铟镁酸铅-钛酸铅压电陶瓷的制备与机电性质研究

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Pb(In1/2Nb1/2)O3-Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-PbTiO3(PIN-PMN-PT)压电陶瓷是近几年逐渐兴起的一种三元系压电陶瓷,它除了拥有优异的压电性能、介电性能和机电性能外还具有较高的居里温度和相转变温度。这些优异的性能使PIN-PMN-PT压电陶瓷成为压电材料应用领域的重要组成部分。Mn掺杂作为一种“硬性掺杂”,可以大幅提高压电材料的机械品质因数、降低介电损耗,使压电材料的综合性能得到大幅改善,但关于Mn掺杂的PIN-PMN-PT陶瓷至今未见报道。因此,对Mn掺杂PIN-PMN-PT压电陶瓷进行深入、系统的实验显得尤为重要。本论文首先对PIN-PMN-PT陶瓷的制备过程进行研究,总结出制备PIN-PMN-PT所需的两种前驱体MgNb2O6和InNbO4的最佳制备条件为:1000°C-7h-5°C/min和1100°C-7h, PIN-PMN-PT陶瓷的最佳制备条件为1250°C-6h。在PIN-PMN-PT的准同型相界处制备出三种不同组分的PIN-PMN-PT陶瓷并进行性能比较,发现PIN含量较高的58PIN-8PMN-34PT组分居里温度可以达到289°C,压电常数d33=438pC/N。当PMN含量较高时,6PIN-60PMN-34PT的压电特性提升d33=550pC/N,但温度特性有所降低(居里温度Tc=170°C)。第三种组分24PIN-42PMN-34PT的综合性能最为优异,d33=516pC/N, Tc=205°C, Kp=0.67,Qm=68.34, tan δ (%)=1.67。因此,本文选用24PIN-42PMN-34PT进行Mn掺杂的实验研究。本文对具有不同Mn掺杂比例的24PIN-42PMN-34PT压电陶瓷的铁电、介电、压电以及机电性能进行了研究,发现Mn掺杂有利于24PIN-42PMN-34PT压电陶瓷的烧结和成晶,并且掺杂后的24PIN-42PMN-34PT压电陶瓷表现出受主掺杂特性:机电性能上升、铁电和压电性能下降。通过实验研究,发现24PIN-42PMN-34PT压电陶瓷中Mn掺杂的最佳比例在1-2mol%附近。在1mol%的掺杂比例下,24PIN-42PMN-34PT压电陶瓷的机械品质因数Qm提高了1547.56%、介电损耗tanδ下降了82.22%、Kp下降了17.91%、d33下降了16.67%。在2mol%的掺杂比例下,24PIN-42PMN-34PT压电陶瓷的机械品质因数Qm提高了2231.46%、介电损耗tanδ下降了63.89%、Kp下降了15.7%、d33下降了32.75%。从综合性能方面考虑,Mn掺杂PIN-PMN-PT压电陶瓷拥有异常高的机械品质因数和较低的介电损耗,将在超声医疗成像和功率超声中得到广泛的应用。
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