Sr2 掺杂对PZT-BZT陶瓷结构和性能的影响开题报告

1．结合毕业设计(论文)课题情况，根据所查阅的文献资料，每人撰写

2000字左右的文献综述：

文献综述

1.压电陶瓷

1.1研究背景

随着社会科技的不断发展，人们对材料的要求越来越高，智能材料的研究也越来越引起人们的重视。而作为智能材料中的主导材料，压电材料更加引起各国科学家们的重视。

压电效应[1]是在1880年，居里兄弟在研究电性能和晶体对称关系时发现的。当对石英在某一方向上施加应力时，在晶体的两端会出现数量相同符号相反的电荷；而施加反向力时，电荷的性质也相反，而且一定范围内电荷密度和施加的应力大小成正比，这一现象成为正压电效应。反之，若施加一定方向的电场，也会出现相应的外形尺寸变化，这一现象成为逆压电效应。

晶体压电效应原理[2]如下图所示。(a)图中晶体不受力，因而其正电荷重心与负电荷重心重合，晶体总体电矩为零，所以晶体表面不带电；(b)图中晶体受压应力，(c)图中晶体受拉应力，其正电荷重心与负电荷重心都发生了相对的位移，导致晶体总电矩改变，所以晶体表面带电。

2.压电陶瓷体系

20世纪40年代发现了钛酸钡(BaTiO3)压电陶瓷-压电多晶材料，BaTiO3是典型的陶瓷铁电体，具有钙钛矿晶体结构，BaTiO3不溶于水，机电耦合系数大，成为最早的有实用价值的压电陶瓷，是压电材料的一个飞跃[3]。1955年发现PZT(锆钛酸铅)压电陶瓷在因成分变化引起的所谓准同型相界或同质异晶相变成分(x=0.52)附近，四方相和三角相共存，相变激活能低，只要在微弱电场的诱导下，就能发生晶相结构的转变，极化处理时可以获得高压电活性和高介电常数，压电常数是BaTiO3的两倍，且其各方面性能比BaTiO3陶瓷好得多，具有耦合系数大、压电性更强、居里温度高和可通过变更成分在很大范围内调节性能以满足多种不同需要等优点[4]。

功率型压电陶瓷按组分可分为二元系、三元系和四元系等。而传统的功率型压电陶瓷主要是含铅系氧化物陶瓷，其性能特点和研究状况分述如下。

2.1二元系大功率压电陶瓷

锆钛酸铅Pb(Zr，Ti)O3(PZT)是最典型最常用的二元系钙钛矿结构压电陶瓷。其铁电四方相的边长a=bc。B位的Zr、Ti离子在c轴方向的位移使得该晶胞正负电荷中心不重合，从而出现自发极化产生压电效应[5]。

2.2三元系大功率压电陶瓷

为了满足不同需要，在PZT二元系的基础上发展了组成更复杂的压电陶瓷。三元系压电陶瓷的研究兴起于20世纪60年代。常见功率型三元系压电陶瓷主要是铌镁锆钛酸铅、铌锌锆钛酸铅、锑锰锆钛酸、铌锰锆钛酸铅铋锌锆钛酸铅等。因铌镁酸铅、铌锌酸铅、铌锰酸铅等均为弛豫型铁电体，第三组元的引入通常可降低烧结温度，并使体系存在一定的弛豫铁电特征。几类弛豫铁电材料与PbTiO3也形成准同型相界，该体系除PbZrO3与PbTiO3形成的MPB外，弛豫铁电材料P(B1B2)O3与PbTiO3可形成第二类准同型相界[6]。两类MPB的存在使其性能可在更宽范围内进行调节。如加入低熔点组分，可调节降低烧结温度，控制PbO挥发，从而获得气孔率小、均匀致密的陶瓷。

2.2.1锑锰锆钛酸铅系

其主要成分为xPb(Mn1/3Sb2/3)O3-yPbTiO3-zPbZrO3(PMS-PZT)，随Zr/Ti比增加，体系的相结构从四方相到三方相转化，在Zr/Ti=50/50时，体系出现三方四方准同型相界[7]。

2.2.2铌锰锆钛酸铅系

其主要成分为xPb(Mn1/3Nb1/3)O3-yPbTiO3-zPbZrO3(PMN-PZT)。随着Pb(Mn1/3Nb1/3)O3含量的增加，该体系四方度(c/a)减小，介电常数、压电常数、机械品质因数及机电耦合系数先增大后减小，而介电损耗逐渐增大[8]；随着Zr/Ti比增加，相结构由四方相向三方相转变，居里温度降低。

2.2.3铌镁锆钛酸铅系

主要成分为xPb(Mg1/3Nb1/3)O3-yPbTiO3-zPbZrO3(PMN-PZT)，随着PbZrO3含量的增加，PMN-PZT陶瓷的介电常数和压电常数减小，机电耦合系数增大。Pb(Mg1/3Nb2/3)O3是一种典型的弛豫铁电体，组成无序使其微观结构上表现出长程、中程与短程等不同层次的特征结构，其间的相互作用使该材料具有不同于普通铁电体的性能，如弥散型铁电相变，频率色散，介电常数温度图谱不显示尖峰，温度稳定性较好，电致伸缩性大等[9]。

2.2.4铌锌锆钛酸铅系

主要成分为xPb(Zn1/3Nb2/3)O3-yPbTiO3-zPbZrO3(PZN-PZT)，随着Pb(Zn1/3Nb2/3)O3含量的增加，烧结温度降低，PZN-PZT陶瓷的准同型相界向富钛方移动；随着Zr/Ti比的增加，烧结温度升高，PZN-PZT陶瓷晶体结构向三方相转变。Pb(Zn1/3Nb2/3)O3也是一种典型的弛豫铁电体，但纯PZN陶瓷很难制备。将PZN与PZT复合，在改善体系烧结特性的同时，使体系兼具弛豫铁电体的特点，通常还可提高材料的居里温度。该体系也可进行掺杂改性[10]。

2.2.5铋锌锆钛酸铅陶瓷

Pb(Zr0.56Ti0.44)O3-Bi(Zn0.5Ti0.5)O3固溶体通过固相反应制得，X射线衍射结果表明(1-x)PZ56T44-xBZT四方相随着BZT含量增加而增强，并且三方和四方铁电体之间的准同型相界(MPB)经认定在0.15＜x＜0.18范围内。此外，分散介质扩散和频率行为是随着BZT含量增加引发的，因为这增加了(1-x)PZ56T44-xBZT钙钛矿晶格A、B位阳离子的无序度。与PT-BZT情况相反，因为BZT替换了PZ56T44，增加的四方相降低了居里温度TC。固溶体的电性能表现出明显的成分依赖。在εT33=1430，d33=365pC/N，kP=50%，Qm=32，和TC=260℃条件下，(1-x)PZ56T44-xBZT陶瓷最佳的介电和压电性质在x=0.18实现，此时两铁电体在MPB附近共存[11]。

2.3四元系大功率压电陶瓷

在三元系材料的基础上添加第四组元的主要工作始于20世纪80年代。由于锑锰锆钛酸铅及铌锰锆钛酸铅都能获得较高的机械品质因Qm和较低的介电损耗，因此四元系大功率压电陶瓷多在硬性材料锑锰锆钛酸铅和铌锰锆钛酸铅的基础上添加第四组元，例如：Pb(Mg1/3Nb2/3)O3、Pb(Zn1/3Nb2/3)O3、Pb(Fe2/3W1/3)O3、Pb(Ni1/2W1/2)O3等。第四组元的加入往往可降低烧结温度，提高致密度、降低烧结温度，并同时获得软硬性掺杂特征，这也与MPB的存在有关[12]。

3.压电陶瓷工艺

3.1固相法

固相法是目前国内制备PZT压电陶瓷粉体普遍采用的方法，其工艺是多种氧化物粉料经混合、煅烧来合成PZT，然后经过机械粉磨获得PZT粉体。这种传统的固相法存在如下缺点：(1)原料各组难以混合均匀(2)整个反应以固态形式发生，首先在组份之间的接触点处发生物相边界反应，然后组成物扩散进产物后再进行反应，随着反应的进行，扩散途径变得越来越长，反应速度变得越来越慢，没有办法控制反应进程，只能通

过试探来决定适当的反应条件使反应完成，由于这种困难，人们常常在结束反应后得到的是反应物和产物的混合物，从这样的混合物中分离出所需要的产物是困难的(3)经预烧后的配合料在机械粉粹过程中易带入球磨介质的污染(4)物料活性较差，烧结温度较高(1200℃)左右，易造成PZT失铅，使化学组成难以精确控制。

3.2溶胶-凝胶法

这项技术是基于粒径为1μm～100μm范围内的固体颗粒能稳定地分散在溶液中形成溶胶。Sol-Gel法制备压电陶瓷粉体研究较晚，1985年J.B.Blum及S.R.Gurkovich等人相继报道了PbTiO3超微粉体，国内直到1987年才有关于用Sol-Gel法制备压电陶瓷粉体报道该具备工艺具有以下优点：(1)可在较低的温度下(450℃～650℃)制得所需产品；(2)可制得多组份均匀混合物；(3)可制得粒度均匀的高纯、超细(十几至几十纳米之间)粉末；(4)可制得一些传统方法难以得到或根本得不到的产品。

3.3水热合成法

这种方法的基本原理是把在常温常压下不容易被氧化的物质，或者不易合成的物质，置于高温高压条件下来加速氧化反应进行。水热合成法的优点在于可以直接合成多组份物料，避免了一般湿化学法需经烧结转化为氧化物这一可能形成硬团聚的步骤，制备的物料中晶粒发育完整，团聚程度很轻等。

3.4共沉淀法

共沉淀法是所有制备粉体的湿化学方法中，工艺最简单、成本最低并且最终能制备出优良性能的粉体的方法。已被用于制备BaTiO3、SnO2、Al2O3等陶瓷粉体。其一般方法是：在可溶性盐溶液中加入一种沉淀剂(如碳氨、氨水等)。首先制得一种不溶于水的碱式盐或氢氧化物沉淀等，然后再通过加热分解的方式制得PZT粉体[13]。

4.压电陶瓷改性

为了改进锆钛酸铅系压电陶瓷的性能，采用同一类元素去置换原组成元素，或掺入微量杂质进行热压烧结等方法进行改性。通过掺入微量杂质就能大大改变机电耦合系数、介电常数ε、机械品质因素Qm等，满足不同应用条件对材料提出的性能要求，主要掺加有稀土元素氧化物Nb2O5，La2O3，CeO2，在电子陶瓷中作为微量添加物加入，以改进性能；过渡元素氧化物(MnO2，Fe2O3)对压电陶瓷影响极大，要求小于0.1%；Ca2 ，Sr2 ，Ba2 离子半径与Pb2 接近，Mg2 离子半径与Ti2 接近而与主成分置换产生固溶体，可以提高压电陶瓷某些性能指数。[14,15]

参考文献

1、本课题目的

本课题通过不同Sr2 掺杂的情况下制备PZT-BZT陶瓷，重点研究Sr2 掺杂对PZT-BZT陶瓷结构和性能的影响。

2、主要研究手段

本课题采用固相配位法制备PZT陶瓷粉体，通过调节合成产物的工艺条件，包括预烧温度、烧结温度、保温时间对PZT-BZT陶瓷电性能的影响，在不同条件下制备出压电材料，并对它们的颗粒形貌、结晶、尺寸、电学性能进行分析，研究Zr/Ti比、Sr2 的掺杂量对颗粒形貌、结晶、尺寸、电学性能的影响，并且研究极化时间、极化场强等对PZT-BZT压电陶瓷的影响。