三聚氰胺甲醛树脂
第27卷 第7期 无 机 材 料 学 报
Vol. 27
No. 7
2012年7月
防静电地垫Journal of Inorganic Materials Jul., 2012
收稿日期: 2011-08-16; 收到修改稿日期: 2011-10-05
基金项目: 广西省自然科学基金(2010GXNSFD013007); 广西信息材料重点实验室主任基金(桂科能0710908-15-Z)
Natural Science Foundation of Guangxi Province(2010GXNSFD013007); The Information Materials Key Laboratory Foundation of Guangxi (0710908-15-Z)
作者简介: 崔业让(1986−), 男, 硕士研究生. E-mail: cuicui612@126 通讯作者: 刘心宇, 教授. E-mail: yyxyl@163
文章编号: 1000-324X(2012)07-0731-04 DOI: 10.3724/SP.J.1077.2012.11517
Sm 2O 3掺杂(Ba 0.7Ca 0.3)TiO 3-Ba(Zr 0.2Ti 0.8)O 3无铅压电陶瓷的 制备与性能 崔业让1, 刘心宇1,2, 袁昌来1,2, 翟 霞1, 胡耀斌1, 李若雯1
(1. 桂林电子科技大学 广西信息材料重点实验室, 桂林 541004; 2. 中南大学 材料科学与工程学院, 长沙 410083)
摘 要: 采用固相合成法制备了Sm 2O 3掺杂的(Ba 0.7Ca 0.3)TiO 3-Ba(Zr 0.2Ti 0.8)O 3(BCZT)无铅压电陶瓷. 借助XRD 、SEM 等手段对该陶瓷的显微结构与电性能进行了研究. 结果表明, Sm 2O 3的掺杂降低了BCZT 无铅压电陶瓷的烧结温度并使居里温度点T c 从85℃提高到95℃. 当Sm 2O 3掺杂量为0.02wt%~0.1wt%时, 样品具有典型ABO 3型钙钛矿结构. Sm 2O 3掺杂量为0.02wt%时, 所得陶瓷样品具有最优综合电性能, 其压电常数d 33、机电耦合系数k p 、机械品质因子Q m 、介电损耗tan δ和介电常数εr 分别为590 pC/N 、0.52、43、1.3%和3372. 关 键 词: 无铅压电陶瓷; Sm 2O 3; 压电性能; 钙钛矿 中图分类号: TQ174 文献标识码: A Preparation and Properties of Sm 2O 3 Doped (Ba 0.7Ca 0.3)TiO 3-Ba(Zr 0.2Ti 0.8)O 3
Lead-free Piezoelectric Ceramics
CUI Ye-Rang 1, LIU Xin-Yu 1,2, YUAN Chang-Lai 1,2, ZHAI Xia 1, HU Yao-Bin 1, LI Ruo-Wen 1
(1. Guangxi Key Laboratory of Information Materials, Guilin University of Electronic Technology, Guilin 541004, China; 2. College of Material Science and Engineering, Central South University, Changsha 410083, China)
Abstract: Sm 2O 3 doped (Ba 0.7Ca 0.3)TiO 3-Ba(Zr 0.2Ti 0.8)O 3 (BCZT) lead-free piezoelectric ceramics were prepared
by solid state synthesis method. The microstructure and electrical properties of prepared ceramics were investigated by XRD, SEM and other techniques. The results demonstrate that Sm 2O 3 doping reduces sintering temperature of BCZT lead-free piezoelectric ceramics and increases the Curie temperature T c from 85℃ to 95℃. BCZT ceramics doped with 0.02wt %–0.1wt% Sm 2O 3 possess a typical ABO 3 type perovskite structure.With the doping of 0.02wt% Sm 2O 3, the BCZT ceramics show the optimum electrical properties, and its piezoelectric constant d 33, electrome-chanical coupling factor k p , mechanical quality factor Q m , dielecteic loss tan δ and relative dielectric constant εr reach 590 pC/N, 0.52, 43, 1.3% and 3372, respectively.
Key words: lead-free piezoelectric ceramics; Sm 2O 3; piezoelectric property; perovskite烷基叔丁基醚
压电陶瓷可以实现机械能和电能相互转换, 广泛应用于机械、电子、通讯等领域[1]. 长期以来, 锆钛酸铅(PZT)材料在压电陶瓷的发展与应用过程中
一直占主导地位, 但PZT 基陶瓷是一种环境污染严重的材料. 随着全社会对环保问题的重视, 寻能够代替PZT 的无铅压电材料成为电子材料领域的紧
732 无机材料学报第27卷
迫任务之一[2-3].
钙钛矿结构无铅压电陶瓷因具有相对较好的压电性能已成为人们研究的焦点之一[4-7], 其中由REN等[6]发现的(Ba0.7Ca0.3)TiO3-x Ba(Zr0.2Ti0.8)O3无铅压电陶瓷体系因其d33高达620 pC/N以上、介电损耗小、介电常数高等优点, 受到广泛关注[6-13]. 但是, 用传统工艺烧结的BCZT陶瓷烧结温度高达1540℃[11], 如何提高致密度，改善压电性能成为(Ba0.7Ca0.3)TiO3-x Ba(Zr0.2Ti0.8)O3体系改性研究的重要内容.
大量研究表明, 稀土元素的掺杂能够很好地提高压电陶瓷的致密度和改善其压电性能. Gao等[14]采用CeO2对KNN基无铅压电陶瓷掺杂的研究表明, CeO2的引入提高了KNN基陶瓷体系的致密度和压电性能. 郑严艳[15]采用Sm2O3对BNT基压电陶瓷掺杂的研究表明, Sm2O3掺杂不仅能够降低陶瓷试样的介
钢管扩口机
电损耗, 而且能提高陶瓷试样的致密度和压电性能. 本工作采用Sm2O3掺杂(Ba0.7Ca0.3)TiO3- Ba(Zr0.2Ti0.8)O3(BCZT)制备无铅压电陶瓷, 并研究了Sm2O3的引入对BCZT陶瓷的晶相、显微结构和压电、介电等性能的影响.
1实验
压电陶瓷片用固相合成法制备(Ba0.7Ca0.3)TiO3- Ba(Zr0.2Ti0.8)O3-x Sm2O3无铅压电陶瓷, 以充分干燥的分析纯BaCO3(≥99.0%)、CaCO3(≥99.0%)、TiO2(≥99.0%)、ZrO2(≥99.0%)为原料. 按化学式(Ba0.7Ca0.3)TiO3-Ba(Zr0.2Ti0.8)O3的理论组成计算配方. 原料以无水乙醇为球磨介质球磨24 h; 干燥后过147 μm筛, 在1200~1250℃下保温2 h. 合成好的粉料掺入Sm2O3(0.02wt%、0.04wt%、0.06wt%、0.08wt%、0.1wt%后再次球磨8 h, 烘干后加入适量的聚乙烯醇(PV A)溶液进行造粒; 然后, 干压成型为φ15 mm×1.5 mm的圆片备用. 烧结时样品在600℃排胶2 h, 然后以200℃/h速度升温至1350℃保温烧结 4 h, 随炉冷却. 样品被银电极, 在30~50℃的硅油内按3~4 kV/mm加直流电压极化10 min, 放置24 h后测量其性能.
采用ZJ-3AN型准静态d33测量仪测量样品的压电常数d33; 采用 D8-2-ADV ANCED型X衍射仪(BRUKER AXS, German)测定样品的XRD图谱; 采用JSM-5610 LV型SEM(JEOL, Japan)观察样品的微观形貌; 采用 Agilent 4294A精密阻抗分析仪测量陶瓷的介电容量、径向模谐振频率、反谐振频率、阻抗和介电温谱等.
2结果分析与讨论
2.1物相分析
图1为掺杂不同Sm2O3的BCZT陶瓷样品的XRD图谱. 从图l(a)可以看到, 各组分样品均形成了典型的ABO3型钙钛矿结构, 没有明显的第二相生成. 表明Sm2O3完全扩散固溶进入BCZT陶瓷晶格中. 图1(b)显示了2θ为45°附近的XRD图谱, 由衍射峰(002)/(200)可以得出, 该体系陶瓷样品由四方结构向准立方结构转变[6], 在0.02wt%~0.04wt%范围内出现准同型相界(MPB). 此外, 随着Sm3+含量的增加到0.1wt%时, 陶瓷样品的衍射峰明显向高角度移动. Sm3+半径为0.096 nm、A位的Ca2+半径0.134 nm、B位的Zr4+半径0.072 nm. 从离子半径相近角度看, Sm3+更容易进入B位与Zr4+发生取代反应. 由于Sm3+半径比Zr4+半径大, 导致晶格膨胀, 引起BCZT陶瓷样品四方、准立方相界转变和衍射峰的偏移. 当Sm3+含量增加到0.1wt%时出现异常. 其引起原因有待于进一步研究.
2.2显微结构分析
图2为掺杂不同Sm2O3的BCZT陶瓷样品的
图1 掺杂不同Sm2O3的BCZT陶瓷样品的XRD图谱Fig. 1 XRD patterns of BCZT ceramic samples doped with different contents of Sm2O3
第7期崔业让, 等: Sm2O3掺杂(Ba0.7Ca0.3)TiO3-Ba(Zr0.2Ti0.8)O3无铅压电陶瓷的制备与性能 733
旗杆底座
图2 掺杂不同Sm2O3的BCZT陶瓷样品的SEM照片 Fig. 2 SEM images of BCZT ceramic samples doped with different contents of Sm2O3
(a) 0.02wt%; (b) 0.04wt%; (c) 0.06wt%; (d) 0.08wt%; (e) 0.1wt%
SEM照片, 从图中可以看出, 随着Sm2O3掺杂量的增加, 样品的晶粒逐渐细化. 掺杂量x=0.02wt%时，晶粒大小较均匀, 而当掺杂量继续增加到0.1wt%时，出现许多尚未充分生长的小晶粒. 这是因为添加少量Sm3+增加了晶格中的氧空位, 促进烧结使晶粒增大. 但加入过量的Sm2O3会使Sm3+堆积在晶界处则会阻止晶粒的长大.
2.3压电性能分析
图3为掺杂不同Sm2O3的BCZT陶瓷样品的压电性能, 从图中可以看出, 随着Sm2O3掺杂量的增加, 压电常数d33和机电耦合系数k p大致都下降. 当掺杂量为0.02wt%时, 压电常数d33和机电耦合系数k p达到最优值, 分别为590 pC/N和0.52. 而机械品质因子Q m则相反, 随着Sm2O3掺杂量增加不断上升, 从43增加到89. 根据图1(b)可知, Sm2O3掺杂量在0.02wt%~0.04wt%范围内出现准同型相界(MPB), 当少量的Sm3+取代Zr4+时, 由于价态不同而产生氧空位, 有利于晶格内电畴的转向, 进而提高压电性能, 随着Sm2O3的不断增加, Sm3+进入晶界, 阻止晶粒的生长使晶粒生长不均匀; 晶粒变小会使畴壁运动困难, 恶化压电性能, 表现为压电系数d33和k p降低. 这说明Sm2O3的引入对BCZT陶瓷体系的压电性能的影
响很大
. 图3 掺杂不同Sm 2O3的BCZT陶瓷样品的压电性能
Fig. 3 Piezoelectric properties of BCZT ceramic samples doped with different contents of Sm 2O3
2.4介电温谱分析
图4为掺杂不同Sm2O3的BCZT陶瓷样品在10 kHz下的介电温谱, 由图看出, 随着Sm2O3掺杂量的增加,
陶瓷样品的居里温度T C从85℃[11]提高到95. Sm
℃3+半径(0.096 nm)和B位的Zr4+半径(0.072 nm)相近，发生取代反应, 由于Sm3+半径比Zr4+半径大，导致晶格膨胀, 加上Sm3+取代Zr4+产生氧空位, 氧空位浓度的增加使居里温度T C提高. 这说明掺杂Sm2O3可以提高BCZT陶瓷的居里温度.
2.5介电常数和介电损耗分析
图5为掺杂不同Sm2O3的BCZT陶瓷样品在1 kHz下的介电常数和介电损耗. 从图中可以看出陶瓷样品的介电损耗tanδ和介电常数εr随着Sm2O3掺杂量增加先增加后减小, 并在掺杂量为0.02wt%时达到最优值, 分别为1.3%和3372. 结合图2可以看出, Sm2O3的引入具有促进晶粒生长的作用, 使陶瓷内部空隙减少, 结构更加致密, 可以有效降
图4 掺杂不同Sm 2O3的BCZT陶瓷样品在10 kHz下的介电温谱
Fig. 4 Dielectric temperature spectra of BCZT ceramic sam-ples doped with different contents of Sm 2O3 at 10 kHz
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图5 掺杂不同Sm 2O3的BCZT陶瓷样品在1 kHz下的介电常数和介电损耗
Fig. 5 Dielectric constant and dieelectric loss of BCZT ce-ramic samples doped with different contents of Sm 2O3 at 1 kHz 低本体系陶瓷样品的介电损耗和提高其介电常数. 3结论
1) 采用固相合成法制备了致密的Sm2O3掺杂(Ba0.7Ca0.3)TiO3-Ba(Zr0.2Ti0.8)O3无铅压电陶瓷.
2) 陶瓷样品组成均具典型的ABO3型钙钛矿结构; Sm2O3的掺杂对陶瓷显微组织影响较大, 总体上随着Sm2O3掺杂量的增加, 陶瓷晶粒随之细化.
3) 引入Sm2O3使BCZT陶瓷样品烧结温度从1540℃降到1350;
℃居里温度点T c从85℃提高到了95℃.
4) 陶瓷样品的综合电性能在x=0.02wt％时达到最优: d33 =590 pC/N, k p =0.52, Q m=43, tanδ=1.3%, εr=3372.
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豫公网安备41160202000603
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