PZT压电陶瓷的强场效应研究

收稿日期:2007207224

基金项目:新世纪优秀人才支持计划基金资助项目(NCET 20420703);湖北省自然科学基金资助项目(2005ABA298) 作者简介:陈亚波(19652),男,湖南衡阳人,讲师,硕士,主要从事信息材料的研究。

文章编号:100422474(2009)0120057203

PZT 压电陶瓷的强场效应研究

陈亚波1,张洋洋2,刘　岚2,易　飞2,刘耀平2

(1.华中科技大学电气与电子工程学院,湖北武汉430074;2.华中科技大学电子科学与技术系,湖北武汉430074)

摘　要:实验选取一种性能较好的二元系锆钛酸铅(PZT )压电陶瓷配方,通过测试PZT 陶瓷样品在强场下的介电性能表明,随着外加电场强度的增大,样品介温曲线的斜率变小;材料的介电损耗随着外加电场的增大而增大,当外加电场从0升至400V/mm 时,介电损耗从0.16%增至0.38%,损耗仍在较小范围内,可见本材料较适合作为大功率压电材料在强场下应用。对其强场效应及损耗机理进行了初步探讨。

关键词:锆钛酸铅(PZT );低损耗;强场效应;松弛极化中图分类号:TM282 文献标识码:A

Study on the High Electrical Field E ffect of PZT Piezoelectric Ceramic

CHEN Ya 2bo 1,ZHANG Yang 2yang 2,L IU Lan 2,YI Fei 2,L IU Yao 2ping 2

(1.College of Electrical and Electronic Engineering ,Huazhong University of Science and Technology ,Wuhan 430074,China ;2.Dept.of Electronic Science and Technology ,Huazhong University of Science and Technology ,Wuhan 430074,China )

Abstract :A kind of binary system piezoelectric ceramic with good properties was selected to measure its dielec 2

tric proprties of the PZT samples at high electrical field.The experimental results showed that with the increace of electrical field ,the slope of dielectric constant 2temperature curve became smaller ,implying that the temperature sta 2bility of dielectric constant became better.The dielectric loss increaseed when the electrical field increased ,and it changed f rom 0.16%to 0.38%as the electrical field changed from 0to 400V/mm.Although dielectric loss became bigger ,it was still a small value.So the material discussed in this paper was suitable for the application of high 2power piezoelectric ceramics at high electrical field.The high electrical field effect and dielectric loss mechanics were preliminarily discussed in this paper.

K ey w ords :PZT ;low loss ;high electrical field effect ;relaxation polarization

压电材料是一种重要的电子材料,广泛用于各个工业部门和高科技领域,是重要的功能材料。近年来,由于压电马达、压电变压器和压电换能器的广泛使用,大功率压电陶瓷材料也逐渐成为近期的研究热点。大功率压电陶瓷主要应用于高电压和高压力策动及系列大功率发射型超声换能器、水声换能器及大功率远程声纳换能器等方面。这要求换能器材料具有机械品质因数高,强电场下介质损耗小和压电性能好等高性能特点[122]。要求大功率压电陶瓷材料的介电损耗小,尤其是在强场下(如200V/

mm 以上)工作,不至于因损耗而过热,最终导致压电材料性能下降。大功率材料的性能需要有较好的稳定性才能适应其在强场下的应用。

1　实验

实验采用传统工艺制备锆钛酸铅(PZT )陶瓷样品,其基本的结构组成是Pb 0.95Sr 0.05(Zr 0.52Ti 0.48)O 3

+0.5%～2.0%Ca FeO 5/2+0.4%CeO 2。其工艺

过程:按化学配比将称好的PbO 、ZrO 2、TiO 2、Sr 2CO 3、CaCO 3、Fe 2O 3和CeO 2先混合球磨、烘干、过

筛,850℃预烧2h ,再球磨、烘干、过筛、造粒,再以20M Pa 压力预压、50M Pa 压力压制成型,以600℃/h 升温至1250℃密封叠烧2h ,然后在100℃硅油中,在3～4kV/mm 的电场下极化30min ,短路放置24h 后测试性能。

采用HP4192A 低频阻抗分析仪直接测出样品l k Hz 下的介电损耗tan δ,采用本实验室自行研制的DJ 2I 型介电测试仪测得介温特性及强场下的介电性能。

2　结果与讨论

2.1　不同场强下的介电常数与温度变化分析

图1为样品在不同场强下的介温图谱。由图可知,在不同强度电场下,样品的介电常数均随温度的

第31卷第1期

压　电　与　声　光

Vol.31No.12009年2月

PIEZO EL ECTECTRICS &ACOUSTOOPTICS

Feb.2009