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铌锌酸铅-锆钛酸铅(PZN-PZT)体系以其具有性能稳定、机电性能高、价格低廉等优点,可以广泛应用于电子元器件中,是当前压电材料领域的研究热点之一。然而,纯的PZN-PZT很难满足实际的应用要求,需要对其掺杂改性。本文系统研究了CeO2对0.2PZN-0.8PZT压电陶瓷掺杂改性作用,解释了掺杂的微观机制并通过对0.5PZN-0.5PZT退火处理揭示了微观结构与电性能之间的联系。最后,将已得到验证的锰改性PZN-PZT陶瓷应用于制造压电陶瓷滤波器,获得了成功。
将烧成的0.5PZN-0.5PZT陶瓷样品分别在氧气和氮气中进行退火。与退火前的样品相比,退火后的样品都表现出更强的弛豫性,然而,两种样品中导致弛豫性升高的机制却有所不同。对于氧气中退火的样品,氧空位被部分补偿,引发宏畴.微畴转变,导致弛豫性上升。对于氮气中退火的样品,高退火温度与还原气氛致使样品中产生了焦绿石相,焦绿石相破坏了钙钛矿结构的长程有序而在弛豫性升高中起主导作用。
Ce元素在高温下存在+3、+4两种价态,CeO2对0.2PZN-0.8PZT的掺杂改性以Ce3+离子取代Pb2+离子的施主掺杂作用为主。CeO2加入后,材料的居里温度没有明显的移动,而介电常数呈现极值变化。Ce3+离子在晶格中的固溶限度在0.3mol%附近,少量掺杂提高压电性能,而过量的Ce离子在晶界积聚则会恶化性能。在掺杂量为0.3mol%时,最优的压电性能为:d33=353pC/N,Kp=0.6。
锰改性的0.2PZN-0.8PZT压电陶瓷适合于制作压电陶瓷滤波器,并具有其优势。按照专业生产压电陶瓷滤波器厂家的工艺流程试制了10.7MHz中频滤波器。将锰改性的0.2PZN-0.8PZT材料分别应用于制造窄带和宽带陶瓷滤波器,获得了良好的性能。与工厂现行材料相比,该材料具有更好的抗热冲击性能,压电振子放置15h后,可基本恢复热冲击前的水平。