硬性BSPT基高温压电陶瓷温度稳定性研究.pdf

第4 6卷 第1期压 电 与 声 光V o l.4 6 N o.12 0 2 4年2月P I E Z O E L E C T R I C S&A C OU S TOO P T I C SF e b.2 0 2 4 收稿日期:2 0 2 3-1 0-1 6 作者简介:迟文潮(1 9 9 8-),男,山东省烟台市人,硕士。通信作者:鲜晓军,男,四川省绵阳市人,研究员,博士。文章编号:1 0 0 4-2 4 7 4(2 0 2 4)0 1-0 0 3 7-0 5D O I:1 0.1 1 9 7 7/j.i s s n.1 0 0 4-2 4 7 4.2 0 2 4.0 1.0 0 8硬性B S P T基高温压电陶瓷温度稳定性研究迟文潮,鲜晓军*,冯小东,李瑞峰,彭胜春,刘振华,曾祥明(中国电子科技集团公司 第二十六研究所,重庆 4 0 0 0 6 0)摘 要:采用固相合成法在1 1 2 51 1 7 5 烧结范围内制备了0.1 5 B i S c O3-0.8 5(P b0.8 8B i0.0 8)(T i0.97M n0.03)O3(B S P T-M n)高温压电陶瓷。所有样品均为纯相,晶粒尺寸分布符合正态规律,掺杂元素均匀,未发现明显的富集现象。研究表明,在1 1 5 0 烧结制备的B S P T-M n高温压电陶瓷的最大机械品质因数为1 5 0 0.3,在4 8 4.4 温度下压电常数为2 8 9.8 p C/N,压电性能良好。关键词:压电陶瓷;钪酸铋-钛酸铅(B S-P T);机械品质因数;温度稳定性 中图分类号:T N 3 8 4;T B 3 4 文献标识码:A S t u d y o n T e m p e r a t u r e S t a b i l i t y o f H a r d n e s s B S P T-B a s e d H i g h-T e m p e r a t u r e P i e z o e l e c t r i c C e r a m i c sC H I W e n c h a o,X I A N X i a o j u n*,F E N G X i a o d o n g,L I R u i f e n g,P E N G S h e n g c h u n,L I U Z h e n h u a,Z E N G X i a n g m i n g(T h e 2 6 t h I n s t i t u t e o f C h i n a E l e c t r o n i c s T e c h n o l o g y G r o u p C o r p o r a t i o n,C h o n g q i n g 4 0 0 0 6 0,C h i n a)A b s t r a c t:T h e 0.1 5 B i S c O3-0.8 5(P b0.8 8B i0.0 8)(T i0.9 7M n0.0 3)O3(B S P T-M n)h i g h-t e m p e r a t u r e p i e z o e l e c t r i c c e-r a m i c s w e r e p r e p a r e d b y t r a d i t i o n a l s o l i d-s t a t e m e t h o d i n t h e s i n t e r i n g r a n g e o f 1 1 2 5-1 1 7 5.A l l s a m p l e s a r e p u r e p h a s e,a n d t h e d i s t r i b u t i o n o f g r a i n s i z e s f o l l o w s t h e n o r m a l d i s t r i b u t i o n p a t t e r n.T h e d o p a n t e l e m e n t s a r e u n i-f o r m a n d n o s i g n i f i c a n t e n r i c h m e n t p h e n o m e n o n i s o b s e r v e d.T h e r e s u l t s s h o w t h a t t h e B S P T-M n h i g h-t e m p e r a t u r e p i e z o e l e c t r i c c e r a m i c p r e p a r e d b y s i n t e r i n g a t 1 1 5 0 a c h i e v e d a m a x i m u m m e c h a n i c a l q u a l i t y f a c t o r o f 1 5 0 0.3,a n d e x h i b i t e d g o o d p i e z o e l e c t r i c p r o p e r t i e s w i t h d i e l e c t r i c c o n s t a n t d3 3 o f 2 8 9.8 p C/N a t a w o r k i n g t e m p e r a t u r e o f 4 8 4.4.K e y w o r d s:p i e z o e l e c t r i c c e r a m i c s;B i S c O3-P b T i O3(B S-P T);m e c h a n i c a l q u a l i t y f a c t o r;t e m p e r a t u r e s t a b i l i t y 0 引言压电材料因其特有的压电效应而被广泛应用于超声换能器、传感器和制动器等各类器件1-3。在众多压电 材 料 中,钪 酸 铋-钛 酸 铅(B i S c O3-P b T i O3,B S-P T)具有高压电常数、高居里温度及在高温环境下保持良好的压电性能稳定等特点,广泛应用于航空航天、能源采集和高温检测等领域4。纯B S-P T高温压电陶瓷的机械品质因数(Qm)仅为2 8,限制了其在大功率器件中的应用5。研究表明,受主掺杂、元素分布和晶粒尺寸调控等方式可有效提高陶瓷的Qm6-7。Z h a n g等8报道了掺杂M n元素不仅可以提高B S-P T高温压电陶瓷的Qm,而且可以降低介电损耗。C h e n等9对掺杂M n元素做进一步研究发现,M n含量(摩尔分数)为3%的B S P T 6 4高温压电陶瓷的Qm可达到1 3 4。然而多数研究仅关注了压电常数的温度稳定性,对其硬化后的Qm研究较少1 0。因此,探究固相法制备硬性B S-P T高温压电陶瓷Qm的温度稳定性,对于促进B S-P T高温压电陶瓷在大功率压电器件中的应用具有重要价值。本文 通 过 烧 结 温 度 对 硬 性0.1 5 B i S c O3-0.8 5(P b0.8 8B i0.0 8)(T i0.9 7M n0.0 3)O3(B S P T-M n)高温压电陶瓷的相结构、晶粒尺寸和元素分布进行调控。在此基础上进一步探究了相结构、晶粒尺寸和元素分布对陶瓷Qm温度稳定性的影响,最后对具有最高Qm的B S P T-M n压电陶瓷进行了变温压电性能测试分析。1 实验过程采用固相合成法在烧结温度1 1 2 51 1 7 5 下制备了B S-P T高温压电陶瓷。采用B i2O3(纯度为9 9.9%)、S c2O3(纯度为9 9.9 9%)、P b O(纯度为9 9.9%)、T i O2(纯度为9 9.9 9%)、M n C O3(纯度为9 9.9 9%)粉末为原材料,并按照化学计量比称量。其中,为了补偿原料P b2O3、B i2O3在高温下的挥发,添加了质量分数为3%的P b2O3和B i2O3。将最终称量好的粉末放入盛有无水乙醇介质与氧化锆磨球的聚乙烯球磨罐中,以转速3 0 0 r/m i n球磨2 4 h。将混匀并干燥后的粉末于8 5 0 预烧4 h,合成B S P T-M n预烧粉。将B S P T-M n预烧粉以转速4 0 0 r/m i n球磨2 4 h后烘干,其中提高转速的目的是通过高能的球磨达到细化晶粒的效果。干燥后的粉末内加入质量分数为3%的聚乙烯醇溶液后造粒,通过压机压制成型,获得直径1 0 mm、厚度为1 mm的陶瓷圆片。在5 5 0 保温4 h排胶后,以3/m i n的升温速率升温至1 1 2 51 1 7 5 保温3 h,然后随炉冷却。通过研磨机研磨烧结后陶瓷的上下表面,用以保证上下表面的平整度与平行度。通过丝网印刷的方式将银浆印刷到陶瓷的上下表面,再将陶瓷片置于硅油中极化。将烧结后的压电陶瓷研磨成粉末,再在常温下通过型号为D 8-A d v a n c e的X线衍射仪(X R D)测试其物相组成。对烧结后的压电陶瓷进行超声清洗,采用J S M-5 6 1 0 L V扫描电子显微镜(S EM)测试陶瓷表面与断面的微观形貌。采用S EM的能谱仪(E D S)测试陶瓷微区的元素种类与含量。通过A g-i l e n t 4 2 4 9 A型精密阻抗分析仪测试极化后压电陶瓷的相对介电常数(r)、介电损耗(t a n)和阻抗值随温 度 的 变 化 曲 线,并 计 算 陶 瓷 的Qm。通 过G D P T-6 0 0 A型变温压电测试仪测试极化后压电陶瓷的压电常数(d3 3)随温度的变化曲线。2 测试结果与讨论图1为在温度1 1 2 51 1 7 5 下烧结制备的B S P T-M n高温压电陶瓷的室温X R D图谱。由图可见,1 1 2 51 1 7 5 烧结制备的高温压电陶瓷都为纯相,未见明显杂相,所有陶瓷都为钙钛矿四方相晶体结构。随着烧结温度的增加,陶瓷X R D的峰值强度先增加后降低,在1 1 5 0 达到最大。其原因可能是在此温度下烧结的陶瓷结晶度增加,使得陶瓷晶体结构更加有序,导致X线的衍射更强。图2为1 1 2 51 1 7 5 烧结制备的B S P T-M n高温压电陶 瓷 的 表 面 与 截 面S EM微 观 形 貌。图3为B S P T-M n陶瓷表面晶粒的尺寸统计图谱。图1 B S P T-M n高温压电陶瓷的室温X R D图谱图2 B S P T-M n高温压电陶瓷的S EM图 图3 B S P T-M n陶瓷表面晶粒的尺寸统计图谱由图2(d)-(f)可以看出,所有陶瓷烧结致密,未见明显孔洞。由图2(a)-(c)及图3(a)-(c)可见,所有B S P T-M n陶瓷的晶粒尺寸分布均匀,呈现正态分布。图3(d)为B S P T-M n陶瓷的平均晶粒尺寸随烧结温度的变化图谱。由图3(d)可以看出,随着烧结温度增加,陶瓷的平均晶粒尺寸随之增大,依次为1.5 5 m、2.3 3 m、2.9 9 m。其原因可能是烧结温度的增加为陶瓷的烧结提供了更高的能量,使得陶瓷中的元素更活跃,促进了元素的扩散和移动,形成了更大的晶粒1 1。83压 电 与 声 光2 0 2 4年 图4、5分别为1 1 5 0 制备的B S P T-M n陶瓷表面与陶瓷截面的E D S图谱。由图可见,1 1 5 0 烧结制备的B S P T-M n高温压电陶瓷元素分布均匀,在晶界处未见明显的元素富集。结合室温X R D图谱(见图1),证明了在烧结过程中产生钙钛矿晶体结构的同时,所有掺杂的微量元素均匀地扩散到晶体结构中,起到了均匀掺杂的效果。图6为1 1 2 51 1 7 5 烧结制备的B S P T-M n陶瓷在1 H z、1 k H z、1 0 k H z、1 0 0 k H z、5 0 0 k H z、1 MH z下相对介电常数(r)和介电损耗(t a n)随温度的变化曲线。r反映了压电材料对外界电场的响应能力,t a n 反映了压电材料在电场作用下的能量耗散。所有温度烧结B S P T-M n陶瓷的r和t a n 随温度、频率的变化较相似。随着测试频率的增加,r和t a n 随之降低,这可能是由于测试频率太高时,陶瓷中的铁电畴来不及随外加电场翻转,只能发生小角度的偏移或抖动,使得铁电畴摩擦减少,导致翻转造成的损耗降低。铁电畴随着电场的小角度偏移,极化矢量随着电场的响应降低,使得陶瓷的r降低。随着测试温度的增加,t a n 增加,这可能是由于温度的增加使压电陶瓷内部的电荷载流子运动加剧而造成的。图4 1 1 5 0 制备的B S P T-M n陶瓷的表面E D S图谱图5 1 1 5 0 制备的B S P T-M n陶瓷的截面E D S图谱图6 B S P T-M n陶瓷在不同频率下的介电温谱 图7为1 1 5 0 制备的B S P T-M n陶瓷的阻抗(Z)、相位角()随频率的变化曲线。由图可以看出,1 1 5 0 制备的B S P T-M n陶瓷经电场极化后的相位角为8 3.4,这表明陶瓷的极化充分。陶瓷的Qm为Qm=f2a2 frR CT(f2a-f2r)(1)式中:CT为在1 k H z下测得的电容;fa为反谐振频93 第1期迟文潮等:硬性B S P T基高温压电陶瓷温度稳定性研究率;fr为谐振频率;R为谐振频率下的阻抗值。图7 1 1 5 0 制备的B S P T-M n陶瓷的阻抗-相位角图谱图8为1 1 2 51 1 7 5 制备的B S P T-M n陶瓷的Qm随温度的变化曲线。由图可见,常温下随着烧结温度的增加,陶瓷的Qm先增加后降低,依次为5 1 2.4、1 5 0 0.3、3 8 6.9,这表明在1 1 5 0 烧结温度制备的陶瓷Qm最大。随着测试 温度增加,所 有B S P T-M n陶 瓷 的Qm都 随 之 降 低,其 中 在 温 度5 01 0 0 内 降 低 最 显 著,依 次 降 低 到1 5 5.6、5 1 6.6、9 1.8,为室温的3 0.4%、3 4.4%、2 3.7%,其原因可能是温度的升高使陶瓷内部的缺陷偶极子失去了钉扎作用1 2。由此表明,1 1 5 0 烧结制备的B S P T-M n陶瓷压电性能最优异。图8 B S P T-M n陶瓷Qm随温度的变化曲线将1 1 5 0 烧结制备的B S P T-M n陶瓷进行变温压电常数(d3 3)测试,其d3 3随温度的变化曲线如图9所示。图9 1 1 5 0 制备的B S P T-M n陶瓷d3 3随温度变化曲线由图9可见,室温下B S P T-M n陶瓷的d3 3为5 8.2 p C/N。随着温度的增加,d3 3先增加后降低,在4 8 4.4 时达到最大(为2 8 9.8 p C/N);温度进一步增 加,d3 3随 之 降 低,在5 0 0.3 时d3 3为3 7.9 p C/N;温度继续增加,陶瓷失去压电性能,d3 3降低到0。3 结束语采用固相合成法制备的B S P T-M n高温压电陶瓷,在1 1 2 51 1 7 5 烧结范围内未见明显杂相,晶粒尺寸与掺杂元素分布均匀。随着烧结温度的增加,陶瓷的Qm先增加后降低,在1 1 5 0 时达到最大(为1 5 0 0.3)。此外,在1 1 5 0 烧结制备的高温压电 陶 瓷 在 高 温 下 显 现 出 良 好 的 压 电 性 能,在4 8 4.4 时,d3 3为2 8 9.8 p C/N;在5 0 0.3 时,d3 3仍达到3 7.9 p C/N。参考文献:1 鲜晓军,林书玉,杨智,等.2-2型多基元压电复合陶瓷圆管研究J.压电与声光,2 0 1 4,3 6(6):8 8 8-8 9 0.X I A N X i a o j u n,L I N S h u y u,Y A N G Z h i,e t a l.S t u d y o n 2-2 p i e z o c o m p o s i t e c e r a m i c t u b e w i t h m o r e e l e m e n t sJ.P i e-z o e l e c t r i c s&A c o u s t o o p t i c s,2 0 1 4,3 6(6):8 8 8-8 9 0.2 刘鹏波,简小华,韩志乐,等.高频医用超声换能器材料声匹 配特 性研 究J.压 电 与 声 光,2 0 1 6,3 8(3):4 5 0-4 5 3.L I U P e n g b o,J I AN X i a o h u a,HAN Z h i l e,e t a l.S t u d y o n t h e a c o u s t i c m a t c h i n g p r o p e r t i e s o f h i g h f r e q u e n c y m e d i c a l u l t r a s o u n d t r a n s d u c e r s m a t e r i a l sJ.P i e z o e-l e c t r i c s&A c o u s t o o p t i c s,2 0 1 6,3 8(3):4 5 0-4 5 3.3 唐平,鲜晓军,刘振华,等.高频球面宽波束水声换能器研究J.压电与声光,2 0 1 9,4 1(5):6 4 7-6 4 9.T AN G P i n g,X I AN X i a o j u n,L I U Z h e n h u a,e t a l.S t u d y o n h i g h f r e q u e n c y s p h e r i c a l u n d e r w a t e r t r a n s-d u c e rJ.P i e z o e l e c t r i c s&A c o u s t o o p t i c s,2 0 1 9,4 1(5):6 4 7-6 4 9.4 鲜晓军,赵天龙,孙昕郝,等.B S-P T基高温压电超声换能器研究J.压电与声光,2 0 2 2,4 4(3):4 3 1-4 3 4.X I AN X i a o j u n,Z HAO T i a n l o n g,S UN X i n h a o,e t a l.S t u d y o f t h e h i g h t e m p e r a t u r e p i e z o e l e c t r i c u l t r a s o n i c t r a n s d u c e r b a s e d o n B S-P T c e r a m i c sJ.P i e z o e l e c t r i c s&A c o u s t o o p t i c s,2 0 2 2,4 4(3):4 3 1-4 3 4.5 CHE N J i a n g o u,S H I H u a d u o,L I U G u o x i.T e m p e r a-t u r e d e p e n d e n c e o f d i e l e c t r i c,p i e z o e l e c t r i c a n d e l a s t i c p r o p e r t i e s o f B i S c O3-P b T i O3 h i g h t e m p e r a t u r e c e r a m-i c s w i t h m o r p h o t r o p i c p h a s e b o u n d a r y(MP B)c o m p o-04压 电 与 声 光2 0 2 4年 s i t i o nJ.J o u r n a l o f A l l o y s a n d C o m p o u n d s,2 0 1 2,5 3 7:2 8 0-2 8 5.6 迟文潮,周学凡,邹金住,等.铌酸钾钠基无铅压电陶瓷烧结及极 化 工 艺 优 化 J.压 电 与 声 光,2 0 2 2,4 4(4):5 1 6-5 2 0.CH I W e n c h a o,Z HOU X u e f a n,Z OU J i n z h u,e t a l.O p t i m i z a t i o n o f s i n t e r i n g a n d p o l a r i z a t i o n p r o c e s s o f p o t a s s i u m s o d i u m n i o b a t e-b a s e d l e a d-f r e e p i e z o e l e c-t r i c c e r a m i c sJ.P i e z o e l e c t r i c s&A c o u s t o o p t i c s,2 0 2 2,4 4(4):5 1 6-5 2 0.7 刘 珩,周 桃生,姜 丹,等.预烧 温度 对0.3 6 3 B i S c O3-0.6 3 7 P b T i O3高温压电陶瓷性能的影响J.压电与声光,2 0 1 1,3 3(1):1 2 6-1 2 9.L I U H e n g,Z HOU T a o s h e n g,J I AN G D a n,e t a l.E f f e c t o f t h e c a l c i n a t i o n t e m p e r a t u r e o n p r o p e r t i e s o f h i g h t e m p e r a t u r e 0.3 6 3 B i S c O3-0.6 3 7 P b T i O3 p i e z o e-l e c t r i c c e r a m i c sJ.P i e z o e l e c t r i c s&A c o u s t o o p t i c s,2 0 1 1,3 3(1):1 2 6-1 2 9.8 Z HAN G S h u j u n,E I T E I R E,R AN D A L L C A,e t a l.M a n g a n e s e-m o d i f i e d B i S c O3-P b T i O3 p i e z o e l e c t r i c c e-r a m i c f o r h i g h-t e m p e r a t u r e s h e a r m o d e s e n s o rJ.A p-p l i e d P h y s i c s L e t t e r s,2 0 0 5,8 6(2 6):2 6 2 9 0 4.9 CHE N J i n g u o,HU Z h o n g q i a n g,S H I H u a d u o,e t a l.H i g h-p o w e r p i e z o e l e c t r i c c h a r a c t e r i s t i c s o f m a n g a n e s e-m o d i f i e d B i S c O3-P b T i O3 h i g h-t e m p e r a t u r e p i e z o e l e c-t r i c c e r a m i c sJ.J o u r n a l o f P h y s i c s D:A p p l i e d P h y s-i c s,2 0 1 2,4 5(4 6):4 6 5 3 0 3.1 0侯育冬,赵海燕,郑木鹏,等.B S P T基高温压电材料:机遇与挑战 J.北 京 工 业 大 学 学 报,2 0 2 0,4 6(6):6 6 4-6 7 9.HOU Y u d o n g,Z HAO H a i y a n,Z HE NG M u p e n g,e t a l.B S P T-b a s e d h i g h t e m p e r a t u r e p i e z o e l e c t r i c m a t e r i-a l s:O p p o r t u n i t i e s a n d c h a l l e n g e sJ.J o u r n a l o f B e i-j i n g U n i v e r s i t y o f T e c h n o l o g y,2 0 2 0,4 6(6):6 6 4-6 7 9.1 1CH I W e n c h a o,Z HOU X u e f a n,Z OU J i n z h u,e t a l.S i g n i f i c a n t l y e n h a n c e d m e c h a n i c a l q u a l i t y f a c t o r w i t h f a v o r a b l e p i e z o e l e c t r i c i t y i n K0.5N a0.5N b O3-b a s e d c e-r a m i c sJ.J o u r n a l o f M a t e r i a l s S c i e n c e,2 0 2 2,5 7:2 0 2 8 5-2 0 2 9 8.1 2YU E Y u n g e,HOU Y u d o n g,Z HE NG M u p e n g,e t a l.B u i l d i n g s u b m i c r o n c r y s t a l l i n e p i e z o c e r a m i c s:O n e-s t e p p r e s s u r e l e s s s i n t e r i n g p a r t i a l l y a m o r p h i z e d n a n o p-o w d e rJ.J o u r n a l o f t h e Am e r i c a n C e r a m i c s S o c i e t y,2 0 1 9,1 0 2:2 6 5 8-2 6 6 5.(上接第3 6页)1 3L I N J,L I AN G R,Z HOU Z,e t a l.T h e e v o l u t i o n o f s t r u c t u r e a n d e l e c t r i c a l p r o p e r t i e s f o r B i F e O3-P b T i O3-B a(Z r0.3T i0.7)O3 h i g h-t e m p e r a t u r e p i e z o c e r a m i c s n e a r t h e m o r p h o t r o p i c p h a s e b o u n d a r yJ.C e r a m I n t,2 0 2 1,4 7(1 7):2 3 9 8 4-2 3 9 9 0.1 4S H I G,CHE N J,Z HAO L,e t a l.E l e c t r o m e c h a n i c a l p r o p e r t i e s o f L a a n d M n C o-m o d i f i e d 0.6 B i F e O3-0.4 P b T i O3 c e r a m i c s f o r h i g h p o w e r a p p l i c a t i o n sJ.C u r r A p p l P h y s,2 0 1 1,1 1(3):S 2 5 1-S 2 5 4.1 5S UN Z,L I L,Z HE NG H,e t a l.E f f e c t s o f s i n t e r i n g t e m p e r a t u r e o n t h e m i c r o s t r u c t u r e a n d d i e l e c t r i c p r o p-e r t i e s o f B a Z r0.2T i0.8O3 c e r a m i c sJ.C e r a m I n t,2 0 1 5,4 1(9):1 2 1 5 8-1 2 1 6 3.1 6Z HE N G W L,YU J.R e s i d u a l t e n s i l e s t r e s s e s a n d p i e-z o e l e c t r i c p r o p e r t i e s i n B i F e O3-B i(Z n1/2T i1/2)O3-P b-T i O3 t e r n a r y s o l i d s o l u t i o n p e r o v s k i t e c e r a m i c sJ.A I P A d v,2 0 1 6,6(8):0 8 5 3 1 4.1 7Z HAN G L L,HOU X B,YU J.F e r r o e l e c t r i c a n d p i-e z o e l e c t r i c p r o p e r t i e s o f h i g h t e m p e r a t u r e(B i,L a)F e O3-B i(Z n1/2T i1/2)O3-P b T i O3 c e r a m i c s a t r h o m b o-h e d r a l/t e t r a g-o n a l c o e x i s t e n t p h a s eJ.J p n J A p p l P h y s,2 0 1 5,5 4(8):0 8 1 5 0 1.1 8N I NG H,L I N Y,HOU X,e t a l.H i g h t h e r m a l l y s t a-b l e B i F e O3-P b T i O3-B a T i O3 c e r a m i c s w i t h i m p r o v e d f e r r o e l e c t r i c p r o p e r t i e sJ.J M a t e r S c i M a t e r E L,2 0 1 4,2 5(3):1 1 6 2-1 1 6 6.14 第1期迟文潮等:硬性B S P T基高温压电陶瓷温度稳定性研究