纳米粉及添加剂对压电陶瓷材料性能的影响.pdf

《纳米粉及添加剂对压电陶瓷材料性能的影响.pdf》由会员分享，可在线阅读，更多相关《纳米粉及添加剂对压电陶瓷材料性能的影响.pdf（4页珍藏版）》请在淘文阁 - 分享文档赚钱的网站上搜索。

1、第3 6 卷增刊l2 0 0 7 年8 月稀有金属材料与工程R A R E M E T A L M T E R L A L S A N DE N G I N E E R I N Gv o I 3 6，S u p p l IA u g 岫t2 0 0 7纳米粉及添加剂对压电陶瓷材料性能的影响蔡海荣，易晓星，潘潮，张建敏(中西科学院声学研究所，北京1 0 0 0 8 0)摘要；采用高能球磨法研磨出P z T 5 纳米粉料。添加外购的纳米有机添加剂，按照传统的固相工艺法制备出了压电陶瓷材料，研究分析纳米粉料和纳米有机添加剂对压电陶瓷性能的影响。通过测试分析可以看出纳米压电粉料与纳米有机添加剂的综合作

2、用，降低了材料的烧结温度、相对介电常数帛0。值和幽1，提高了压电应变常数如-从而压电电压常数窖小岛、吨成倍提高，这些对制作宽带，高灵敏度的换能器是根有好处的。关键词：纳米粉料；有机添加剂；压电陶瓷中图法分类号：粥1 4 6 4文献标识码：A文章编号；1 0 0 2 1 8 5 x(2 0 0 7)s 1 0 4 9 1-0 31引言从2 0 世纪5 0 年代发展起来的P z T 陶瓷，以其较宽的工作温度范围和优良的机电转换效率在半个世纪以来成为水声换能器的首选材料，普遍用于声探测系统：2 0 世纪7 0 年代以后更多更新的压电材料被陆续研究和开发出来，如聚偏二氟乙烯(P v D F)高分子压电

3、薄膜材料、压电复合材料、稀土超磁致伸缩材料(T e f f e n o I D)、新型弛豫铁电单晶材料(P M N T、P z N T)。2 0 世纪9 0 年代以后，高科技置备技术以及检测分析手段的不断完善，为纳米材料的研究与发展奠定了有利基础，2 0 世纪末世界各国的材料学家开始探索新的铁电材料，并且将纳米概念引入压电材料的研究，使压电材料这一功能性材料的研究与发展面临着一个重大的突破。体现在材料性能上的变化，则是机械性能、压电性能、介电性能等得到了明显的改善这无疑会对换能器性能的提高，产生积极的影响。目前功能性压电材料研究中采用纳米概念的主要做法是针对提高压电材料的某些性能，在压电材料中

4、添加不同的纳米颗粒而形成纳米复相和用压电纳米粉料或纳米晶粒与聚合物通过特殊手段制成纳米复合材料2 种方法【1 4】。例如，清华大学材料系为提高铁电陶瓷材料的饱和极化强度与剩余极化强度，添加A g 纳米颗粒制备成“金属纳米颗粒，铁电陶瓷基的纳米复相铁电陶瓷”；国外H w a n gJ H 等制成了A 1 2 0 3，P z T、z r 0 2，P z T等纳米复相铁电陶瓷以减小原铁电陶瓷材料的南。和增加断裂韧性；西安交通大学将纳米压电材料与聚合物一起复合而得到纳米压电复合材料。本工作是将纳米压电粉末和纳米有机添加剂复合而制备成压电陶瓷，进而研究其压电性能和介电性能的变化。2 实验方法及结果讨论首

5、先采用西安交通大学的高能球磨机，将预烧好的P z T _ 5 型压电粉料制各成平均粒径为l o on m 的压电粉料(其透射电镜形貌和粒度分布见图l 和图2)。再用外购的粒径小于1 0 0m 的添加剂(其透射电镜形貌见图3)，按照一定的添加比例与P z T-5 型纳米压电粉料进行均匀混台，分别尝试了3 种成型、烧结方法。所制各的陶瓷材料的压电和介电性能如幽，而值由声学研究所自行研制的准静态击3 协t 测量仪测量，相对介电常数s 7 3 一岛、机械品质因数Q。、频率等由惠普(H p)4 1 9 2 A 阻抗分析仪测量、计算。图l 纳米压电粉料的透射电镜形貌F i g 1T E Mm i c m

6、g 珀p ho f n 蛐。一p i 龆o e l e c 埘。P o w d 郴2 1 用固相法工艺制备压电陶瓷众所周知，随着粉料的细化，压电陶瓷的烧结温度会降低，而压电常数如会随之增加。从表l 的性能对比来看，N M 4 0 样品的压电性能比N M 2 0 的要高一收稿日期；2 0 0 7-0 2 t 0作者茼介：蔡海荣，女。中国科学院声学研究所，北京l O O 吣o，仉O 6 2 5 5“7 0，E-m a i l：髓岫。吼越1 m 万方数据4 9 2 稀有金属材料与工程第3 6 卷些而相对介电常数，恼下降得更多，可以根据换能器的具体使用要求而有所选择。图2P z T 5 纳米粉末粒度分

7、布图体积F i g 2P a n i c I e sd i s 喇b u t i 咖o f n a n o p o w d e 髓图3 纳米有机添加荆的透射电镜照片F i g 3T E Mm i c r o 卿ho f n 如o m e t e d d i t i v e裹1 材料的压电性能和介电性能对比T h b l e lC o m p a r b o no fp i e 列训e c t r j cn n dd k I e c t r i c皂竺e!翌!塑!塑!巴唑!P r o p e n l e sN M 2 0N M 4 0P Z T 5西)p c N 15 2 55 6 54 8 0

8、毋“m V。m)N 5 58 l2 7一，3，日9 5 57 0 01 7 5 0g h，(m V。m)N 14 67 34 6画p C M 4 3 95 1 28 0曲I“m V m)N 1-4 3-2 6 5-2 0 07 3 2 03 2 03 2 0Q。9 枷7 肌8 5，1 2 2 01 2 6 0t一7000000p M1 2 1 7 3 l一般采用常规方法制各的P z T 5 型压电粉料缅粒度为5 0 0 3 0 0 0 n m，烧结温度在1 2 6 0 左右，样品的压电应变常数函3 值在4 8 0p c，N 以下，鸸l 值约为-2 0 0p c，N，9 3 3 值为2 5 3

9、0(m V r m)，N 而采用1 0 0n m 的纳米粉末和纳米有机添加剂制备的压电陶瓷材料，烧结温度则比原P z T-5 型压电材料的烧结温度能降低约4 0，压电常数砖3 值能提高到5 2 0 5 8 0p c，N 左右，喀l值仅为-2 6，5 一一4 3p C，N。相对介电常数，3 愉降低以及压电应变常数幽值的提高，使压电电压常数船3 值比原P z T 5 型材料的自3 值(毋3=谒3，(E。3 3 岛)提高了2 2 5 倍，同时等静压常数盔值(磊=杰3+2 砖I)与g b 值(g h=魂，(，3，嗣0)的提高更为明显，为P z T-5 型压电材料的5 1 0 倍，从而使压电水声换能器材

10、料的优值因数g h 磊的提高会更大，这些性能指标对于换能器灵敏度的提高是很重要的。材料的机械品质因数(I m 值降低了5 0 一6 5，根据公式：缈=工，Q m，换能器频率带宽会增加。此种材料的很大的优势在于压电性能提高的同时，居里温度疋基本保持不变，这一特性对于它的应用有着很实际的意义，使用温度不会由于有机物的加入而有所降低。2 2 等静压成型方法我们将纳米P z T 5 粉末和4 0 的纳米有机添加剂放入玻璃器皿中，加入一定比例的液体，采用超声分散的方法快速得到了分散均匀的混合液体，然后再放入干燥箱中烘干。采用等静压成型的方法经硅碳棒炉分别在9 0 0 和1 2 2 0 烧结，其扫描电镜形

11、貌见图4、图5。从图中可以看出，纳米复相结构与烧结温度有很大关系，烧结温度为9 0 0 时，晶粒尺寸在2 0 0n m 以下，但是采用准静态凼3 击t 测量仪没有测到材料的以3 值；烧结温度为1 2 6 0 时晶粒明显长大，图49 0 0 烧结时的S E M 形貌F i g 4S E Mm i c r o 聊ho f s 瓶1 p l es i t e 坤da t9 0 0 图51 2 2 0 烧结时的S E M 形貌F i g 5s E Mm i 哪g r a 曲o f s a m p l es i n t e f e da t1 2 2 0 誉。鼍j10A弓一蛊 万方数据塑l 蔡簿荣等：纳

12、米粉及添加剂对压电陶瓷材料性能的影响4 9 3 竺型=：材料压电性能大幅提高幽可以达到3结论比较理想的值。“。2 3 放电式等离子烧结方法尝试用放电式等离子烧结方法，目的是为了减小晶粒尺寸，降低能耗，减少产品生产周期。所制备出的样品的s E M 形貌见图6。从图中可以看出，孔径及晶粒尺寸均在5 0 0m 以下，但是此种方法需要使用石墨模具，碳渗入样品很多，从而使制各的样品压电性能急剧下降，不能满足要求。图6 等离子烧鳍方 虫制备的样品的s E M 形貌F i g 6S E Mm i c r o g 阻p ho f p l 嘲a8 i n t e r i n g使用纳米粉末和有机添加剂使压电陶瓷

13、的烧结温度降低4 0，而居里温度保持不变；2 种粉末的综合作用使得所制备的压电陶瓷的压电性能有了明显的提高，南值能提高到5 2 扯5 8 0p c 肘，介电常数#1”下降，勘3 值比原P z T-5 型材料的提高了2 2，5 倍；陶瓷材料的机械品质因数(I m，厚度频率常数t 和声阻抗率p M 下降，这些对换能器的匹配以及制作小尺寸、宽带，高灵敏度的换能器是有意义的。参考文献鼬如m n【l】o J i a l I 眦(高家化)s h 即g 办n i 蜘(沈志坚)“4，一c 幻黼m hc o 州靠卯曲l 曲(复合材料学报)川，1 9 9 4 1 1：l【2】倒i m a 墨H w 蚰g HJ，s

14、 卸d o M“口，t，一肼c E 瑚坍踟c【J】，2 0 0 0 8 3：6 5 l【3】H w 衄g HJ，N a g a iT s a d o M“以J 血r c 帅胛勋d J】，1 9 9 91 9：9 9 3【4】H w a 昭J H“口，J 勘加p 删。删l 肋c【n1 9 9 9，1 9：1 1 7 9E f 托c to fN a n o p h a s eP 0 w d e r sa n dA d d i 廿V e sO nP r o p e r t i e so fP i e 踟I e l e c t r i cC e r a m i cM a t e r i a l sC

15、a iH a i r 0“g，Y iX i a o x i n g，P 蛆C h，Z h 粕gJ i 柚m i n g(I n s t i t 岫eo f A c o u 蚰c s，a I i n 髓e A c 8 d e m yo f s c i 如8，B c i i i g1 0 0 0 8 0)b _ t r n n：w i t ht h eu B eo ft h en 柚0 p b a s eP z T-5p o w d e 腮m i l I e db yt h eh i g he n e r g yb a m j l l 蛆do g a n i ca 甜m v e s，-e wt y

16、 p co fp i c e I c c 埘cc e 哪n i cm a t e d a I 砒sm a d eb ym e 矗a d i：t i o 髓I s 0 1 i dp h a s e 把函o I o 醪n 蛐t h em l d yo f 也ee 矗&t0 f 啪叩h 船ep o w d e 博蚰dO f g a n i ca d d i t i v e 日O np f o p e r t i e Bo f p i c 即e 1 埘cc e 碍m i c 珊咖d n sw 8 t I l d i e d nj s8 h 0 眦t h a tt h e yc o l l l dl d

17、 w e r t h es i t e d“gt e m p e m t I I 增，r c I 鲥v ed i e l 打i cc g t a 小曷，“舭d 画lc o n B 协n t 丘o mt h em e 越u 北dr e g u l 乜A tn l es 锄ch m et h e yc o u l d 抽c f c 雠t h ep i c 2 0 e l e c 啊c0 蜘nc o n s t a n t 西3t om“et l I ep i e z o e l e c 廿i cv o l t a g ec o 弛t a n t 毋3，舢蛆d 矗f o I di c r s cw

18、h i c h w o u l dd og 啪tg dt ot h ed e v e l o p m e n to f b 丑db 加d 柚d h i g l ls 朋s 砸v 时伽咀s d u c e 侣X e y 肿r 血：n a I l o p 删d o r g 孤i ca d d i t i w；p i 龆o e k c 晡cc e 住m i cB i o 伊叩h y：c a iH a i r o n 岛I n s t i t 钯o fA c o u s t i c s c h i n e s eA c a d 锄yo fs c i e e s，B e U i n g1 0 0 0 8

19、 0，T e l：0 0 8 6-1 0-6 2 5 5“7 0，E 棚a i l：c a i h r h o 忸吼i 1 m 万方数据纳米粉及添加剂对压电陶瓷材料性能的影响纳米粉及添加剂对压电陶瓷材料性能的影响作者：蔡海荣，易晓星，潘潮，张建敏，Cai Hairong，Yi Xiaoxing，Pan Chao，ZhangJianming作者单位：中国科学院声学研究所,北京,100080刊名：稀有金属材料与工程英文刊名：RARE METAL MATERIALS AND ENGINEERING年，卷(期)：2007，36(z1)被引用次数：0次 参考文献(4条)参考文献(4条)1.高家化.沈志坚 查看详情 1994(11)2.Tajima K.Hwang H J.Sando M 查看详情 20003.Hwang H J.Nagai T.Sando M 查看详情 19994.Hwang J H 查看详情 1999 本文链接：http:/