Ni_%282%29O_%283%29掺杂对大功率压电陶瓷性能的影响.pdf

13总第150期声学与电子工程2023年第2 期Ni2O3掺杂对大功率压电陶瓷性能的影响盖学周汪跃群项光磊（第七一五研究所，杭州，3 10 0 2 3）摘要为获得综合性能较好且原材料成本低的二元系大功率压电陶瓷材料，采用电子陶瓷制备工艺，制备了Pb(Zro.52Tio.48)O;+amol1%CaFeOs/2+xwt%Ni2O;压电陶瓷，研究了Ni2O;掺杂量对陶瓷介电及压电性能的影响，并对其晶粒形貌、铁电性能及居里温度进行了表征。实验表明，适量NizO3掺杂可以改善压电陶瓷的介电及压电性能，在Ni20掺杂量为0.10 wt%时，制备的压电陶瓷综合性能最佳，具体参数如下：/8=1259，tgo=0.24%，K p=0.552，d 3 3=2 6 8 p C/N，Q m=8 8 2；陶瓷断面SEM测试表明，晶粒大小均匀、细晶，断裂方式以沿晶断裂为主；铁电测试表明，室温下其电滞回线呈“束腰”形状，随着测试温度增加，电滞回线逐渐打开，110时，呈现出典型的铁电电滞回线，此时矫顽场E=1472V/mm，内偏置场E;=225V/mm；居里温度测试表明，T=313、在室温10 0 范围内，tg0.50%。关键词NizO掺杂；大功率压电陶瓷；细晶；矫顽场；内偏置场DOI:10.3969/j.issn.2096-2657.2023.02.03随着超远程水下信息传输和超隐身潜艇探测发展的迫切需求，低频发射换能器成为2 1世纪水声换能器领域热点研究方向之一，弯张换能器由1个或多个伸缩振动的振子驱动弯曲振动壳体产生低频声辐射，目前受到越来越多的关注。由于需要在高电压下产生强的位移振动，因而用于弯张换能器中的大功率压电陶瓷材料需要满足“三高一低”，即：压电应变常数d33250pC/N，机电耦合系数K,0.5，机械品质因数Qm800和介电损耗tans850。Ni2O3掺杂对陶瓷介电性能的影响如表1及图2所示。从图中可以看出，随着Ni2O3掺杂量增加，介电常数迅速增加，由未掺杂时的10 7 1增加到掺杂0.10 wt%时的12 59，然后略有减小，但基本上都保持在12 0 0 以上；随着Niz03掺杂量的增加，介电损耗先快速减小，然后随着Niz2O3掺杂量的继续增加，而略有增加，但均保持 2 50 时，介电损耗tgo随着测试温度的升高迅速增加，在2 7 0 3 0 0 温度范围内介电损耗tgo曲线存在突起，可能与随着测试温度升高、，PZT内相结构由三方相向四方相相变转换有关系。160002.414000-2.012000-161000080001260000.840000.420000.0川阶段0050100150200250300350400测试温度/图6 居里温度测试3结论采用电子陶瓷制备工艺制备了锆钛酸铅压电陶瓷，研究了不同NizO3掺杂量对陶瓷介电及压电性能的影响，并对晶粒微观形貌、室温及变温条件下的铁电性能进行了表征。该材料制备成本低，性能上满足大功率压电陶瓷“三高一低”的要求，同时具备矫顽场、内偏置场高等特征，在大功率弯张换能器及超声换能器中具有广阔的应用前景。同时，试验发现在室温10 0 宽温度范围内，其介电损耗tgs0.50%，为降低大功率弯张换能器及超声换能器工作过程中温升造成的性能衰减提供了先决条件。当然上述研究只是在小信号情况下，后续还需要进一步考察其在强场情况下的性能稳定性及变化情况，如电场E200V/mm时，其介电损耗tgo及机械品质因数Qm随测试电场E的变化情况等。参考文献：1莫喜平我国水声换能器技术研究进展与发展机遇1中国科学院院刊,2 0 19,3 4(3):2 7 2-2 8 2.2 ZHU Z G,LI G R,LI B S,et al.The influence of Yb andNd substituents on high-power piezo electric properties ofPMS-PZT ceramics J.Ceramics International,2008,34:2067-2072.3 YAN Y K,CHO K H,PRIYA S,et al.Role of secondaryphase in high power piezoelectric PMN-PZT ceramicsJ.J.Am,Ceram.Soc.,2011,94(12):4138-4141.4 NAWNIT K,AVIJIT G,CHOUDHARY R N P.Electricalbehaviorrof Pb(Zro.52 Tio.48)0.5(Feo.5Nbo.5)0.503ceramics.Materials Chemistry and Physics,2011,130:381-386.5TAKAHASHI S.Effects of impurity doping in leadzirconate-titanate ceramicsJ.Ferroelectrics,1982,41(1):143-156.