0.9PMN-0.1PT弛豫铁电陶瓷制备及介电性能

0.9PMN-0.1PT弛豫铁电陶瓷制备及介电性能
张崇辉;王晓娟;张晓娟;朱长军
【摘要】铌镁酸铅-钛酸铅陶瓷由于其优异的性能而有着广泛的应用．采用两步法制备了组分为0.9Pb（Mg2/3Nb1/3）O3-0.1PbTiO3（0.9PMN-0.1PT）的弛豫铁电陶瓷，并对其介电-温度特性和热释电特性等进行了研究．结果表明，0.9PM N-0.1PT 陶瓷介电-温度曲线服从 Uchino和 No-mural改进的居里-外斯定理，表现出很强的介电弛豫特性，介电峰明显宽化，频率色散强烈，峰值温度 Tm 随频率增大向高温移动，弛豫因子达到1.89．热释电流密度曲线平缓，在整个加热范围均有电荷释放，室温时热释电系数达到100 pC · m -2 K -1．%The lead magnesium niobate-lead titanate ceramics are extensively use due to their excellent di-electric properties .The relaxor ferroelectricceramic
0.9Pb(Mg2/3Nb1/3)O3-0.1PbTiO3(0.9PMN-0.1PT) was fabricated through two steps method .The dielectric properties ,dielectric constant and loss depend-ent on temperature ,pyroelectric ,were experimentally investigated .The results show that the dielectric constant-temperature curve obey the modified C-W law by Uchino and Nomural .The 0.9PMN-0.1PT ceramic reveal strong dielectric relaxor behavior ,wide dielectric peak ,strong frequency dispersion ,and the peak temperature Tm shift to higher with the frequency increasing ,the relaxor factor is 1 .89 .The py-roelectric curve change slowly and continuously release charges during whole heating process .The pyroe-lectric coefficient is 100pC · m -2 K -1 inroom temperature .
【期刊名称】《纺织高校基础科学学报》
【年(卷),期】2014(000)003
【总页数】4页(P351-354)
【关键词】0.9PMN-0.1PT陶瓷;介电常数;热释电
【作者】张崇辉;王晓娟;张晓娟;朱长军
【作者单位】西安工程大学理学院，陕西西安710048;西安工程大学理学院，陕西西安710048;西安工程大学理学院，陕西西安710048;西安工程大学理学院，陕西西安710048
【正文语种】中文
【中图分类】O487
0 引言
以Pb（Mg1／3Nb2／3）O3（简写为PMN）为代表的弛豫铁电体因在压电和介电性能方面有着其他铁电体不可比拟的优异性而备受关注［1－2］.PMN的介电温谱表现出强烈的频率依赖和宽化相变，而PbTiO3（简写为PT）则是典型的软模铁电体，室温下为四方（P4mm）铁电相（FE），PMN可以和PT以任意比例形成固溶体（1－x）Pb（Mg1／3Nb2／3）O3－xPbTiO3（记为PMN－PT）陶瓷或单晶，随着PT含量的增加从典型的三方弛豫铁电向四方铁电体过渡，准同型相界在x＝0.33附近，准同型相界处的PMN－PT具有极高的压电系数、电致伸缩系数［3］.而PMN含量高的PMN－PT，以其高介电常数、相对低的烧结温度和由“弥散相变”（Diffused Phase Transition，简称DPT）引起的较低容温变
率，被认为是高密度储能的多层电容器在技术上和经济上理想的候选材料，这类材料的制备和性能研究备受关注.本文采用两步法制备了0.9Pb（Mg1／3Nb2／3）
O3－0.1PbTiO3 铌镁酸铅－钛酸铅弛豫铁电陶瓷，并测试了陶瓷的基本介电性能.
1 材料制备
按照化学组分0.9Pb（Mg2／3Nb1／3）O3－0.1PbTiO3 配料，原料为Nb2O5、MgCO3Mg（OH）2·4H2O、PbO、TiO2，均为分析纯.一般制备当中Mg元素
通过氧化镁（MgO）引入，为了增加活性，本文选用碱式碳酸镁（MgCO3Mg （OH）2·4H2O）代替氧化镁，采用铌铁矿预产物合成法，传统的陶瓷烧结工艺，第一步用MgCO3Mg（OH）2·4H2O与Nb2O5 先合成铌酸镁（MgNb2O6），即
按式（1）称取 MgCO3Mg（OH）2·4H2O 和2Nb2O5，与无水乙醇混合，湿法球磨5h，80℃烘干，压块，1 100℃煅烧6h，得到纯度大于96%的 MgNb2O6.第二步合成铌镁酸铅－钛酸铅粉体（0.9PMN－0.1PT），即
将第一步合成的MgNb2O6与PbO和TiO2按式（2）摩尔比称取，混合加适量
无水乙醇湿法球磨5h，80℃烘干，850℃预烧2h，得到钙钛矿结构的0.9PMN－0.1PT.将得到的0.9PMN－0.1PT二次球磨，得到颗粒细小均匀的粉体，加入5%
的PVA水溶液粘合剂，造粒，170MPa冷压成型，1 240℃烧结2h成瓷，得到直径为10.5mm的柱状陶瓷棒.将陶瓷棒沿垂直于轴向切割成厚度为0.7mm的薄圆片，两圆面披银，作为电极.
电滞回线的测定采用aixACT公司生产的TF ANALYZER 2000型电滞回线测量仪；陶瓷样品的压电常数d33采用中国科学院声学研究所生产的ZJ－3A型准静态
d33测量仪进行测量，测量频率为110Hz.介电测量采用计算机控制的
HP4284LCR阻抗分析仪，频率范围在0.1kHz～100kHz.
2 介电性能测试
2.1 电滞回线
图1为0.9PMN－0.1PT陶瓷电滞回线，电滞回线是表征铁电体材料的重要手段，能够反映铁电材料基本特点，也是区别不同铁电体的简便方法.如图1所示，表现
为“纤细”型电滞回线，正是弛豫铁电体区别于正常铁电体的重要特征之一.一般
正常铁电体电滞回线接近“矩形”，剩余极化强度和矫顽场较大，而0.9PMN－
0.1PT陶瓷剩余极化强度和矫顽场较小，分别为13.4μC·cm－2和0.56kV·mm－
1.当电场从0开始逐渐增大时，样品极化强度也逐渐增大，但并未从0开始增加，而图1可看出极化强度是从－0.34μC·cm－2开始增加，这是由于样品不是原始状态，部分极化，已经有很小的剩余极化强度，并且本次电滞回线测试时样品放置与之前的极化电场相反，如果电滞回线测试时为新鲜样品，则电场从0开始增加时，极化强度也是从0开始，即电滞回线的起点从原点O开始.
2.2 介电温度特性
介电特性（介电常数和介电损耗）是铁电材料的重要物理性能之一，是铁电体被广泛应用的重要选择依据.介电性能对外界环境条件有强烈的依赖，主要是使用环境
中外场，如温度、电场和压力等［4］.外场条件发生变化，其介电性能就发生很大变化，是因为铁电体材料作为一类重要的功能材料，在外场作用下，材料内部结构发生了变化［5］.测量介电性能在外场下的变化也成为判断外场诱导铁电材料相变的重要手段之一.
图1 0.9PMN－0.1PT陶瓷电滞回线
图2 0.9MN－0.1PT陶瓷介电温度特性曲线——1kHz；－－－10kHz；－－－100kHz
图2为0.9PMN－0.1PT陶瓷介电特性随温度变化曲线.左纵坐标为0.9PMN－
0.1PT的相对介电常数，右纵坐标为0.9PMN－0.1PT的介电损耗.温度从室温均匀升温至300℃，频率选择1.0kHz，10kHz和100kHz.可见，0.9PMN－0.1PT 陶瓷的介电性能随温度变化很明显.开始升温时，介电常数随温度升高而增加，频率色散很强，继续升温，介电常数开始下降，频率色散消失，3个频率对应的介电常数曲线重合，当温度更高时，介电常数继续下降.介电常数曲线峰在较低的温度时出现，介电峰值ε′m达到1.85×104（1kHz）.将介电常数峰值ε′m对应的温度称为峰值温度，记为Tm，峰值温度也强烈依赖于频率，随频率升高，峰值温度Tm向高温移动，介电峰值降低.如图2中的插图所示，1.0kHz，10kHz和
100kHz频率对应的介电峰值温度分别为36.1℃，39.3℃和43.1℃，这一特点正是PMN型弛豫铁电体的重要特征之一［6］.
从室温开始升温，0.9PMN－0.1PT陶瓷介电常数就表现出强的频率色散，这表明0.9PMN－0.1PT陶瓷在室温下的初始态就是弛豫铁电相［7］.随着温度升高，微畴数量增加，尺寸减小，介电峰值温度处标志着微畴大量出现.继续升温，开始出现顺电相，随温度升高而逐渐增加.0.9PMN－0.1PT陶瓷由温度诱导的弛豫铁电到顺电相变是一个渐变过程，区别于典型铁电体在一特定温度点全部相变为顺电相，在介电－温度曲线上形成一个尖锐峰，并且介电常数遵循居里－外斯定理［8］：
式（3）中C为居里－外斯常数，TC为居里温度，即铁电－顺电相变温度.而
0.9PMN－0.1PT陶瓷介电常数变化已经不服从居里－外斯定理，而是在温度高于Tm以上，服从Uchino和Nomural改进的居里－外斯定理：
其中γ为弛豫因子，1≤γ≤2，γ＝1为铁电体，如钛酸铅PbTiO3（PT），γ＝2为典型弛豫铁电体，如纯的Pb（Mg1／3Nb2／3）O3（PMN），随着PT含量的增加，γ值减小.利用式（4）对0.9PMN－0.1PT陶瓷1.0kHz对应的介电常数
拟合，得到γ＝1.89，同样表明0.9PMN－0.1PT陶瓷弛豫特性较强.
0.9PMN－0.1PT陶瓷介电损耗tanδ也明显依赖频率，损耗随温度变化曲线也出
现了损耗峰.损耗峰位置随频率增加向高温移动，但是损耗峰比介电峰出现的早，
更接近室温，而且损耗峰值随频率增大而增大.当温度继续上升，损耗迅速减小，
在介电峰值温度附近达到最小值，几乎接近0.再继续升温，介电损耗仍然很小，
几乎不变.直到约230℃，1.0kHz对应的损耗开始增大，这主要是漏导在高温下急剧增大导致.
图3 0.9PMN－0.1PT陶瓷热释电曲线
2.3 热释电特性
所有铁电材料都属于热释电体，热释电谱的测量也是一种表征铁电材料的有效方法，比介电温谱能更敏锐的反映铁电体在温度条件下内部结构发生的变化.另外PMN－PT也因其优异的热释电特性成为热电成像器件的理想材料，被广泛应用于热成像仪、热探测器和热敏测量仪器.图3为0.9PMN－0.1PT陶瓷热释电曲线，放电电
流密度随温度变化曲线（J－T）.样品在直流电场下充分极化，压电系数d33约为65pC·N－1，置于加热炉内，以3℃·min－1的升温速度从室温均匀加热至150℃，然后停止加热，自然冷却，实时测量样品电荷释放电流.从室温开始加热就有较大
的电流，约0.5nA·cm－2，室温热释电系数为100pC·m－2 K－1.随着温度升高，热释电电流密度增加.当温度达到约45℃时，电流密度达到最大值Jm，约
1.02nA·cm－2，这一温度与介电峰值温度Tm相吻合.继续升温，J开始逐渐减小，直到150℃仍然有明显的电荷释放.0.9PMN－0.1PT陶瓷的热释电曲线表现为平缓，峰值宽化，在较大的温度范围内均有电荷释放，这也是其本身的介电弛豫特性所决定的.不同于典型铁电体和反铁电／铁电相变陶瓷，这些材料的热释电曲线都是在
相变点呈现一极窄的尖锐峰，电荷在相变点瞬间释放［9］.
铁电体在电场作用下，电偶极子趋于电场方向，电场增大，极性微区合并成铁电畴，
铁电畴继续长大，这样在样品两电极间建立了电场，外电场撤除，这种电场仍然能够保持，这一电场又在电极表面从空气中吸附了电荷，吸附电荷屏蔽了内部电场.
当温度升高，自由能增加，引起电畴转向和尺寸减小，内部电场减小，电极表面吸附电荷被释放.从0.9PMN－0.1PT陶瓷的热释电曲线可以看出，在升温过程中，
内部电畴是一个连续渐变过程，不像典型铁电体在相变点突然发生旋转.就在温度
高于Tm很大范围，仍有电荷释放，同样也说明，当温度T＞Tm，顺电相逐渐增多，弛豫铁电相逐渐减少.
3 结论
（1）两步法合成了性能良好的0.9PMN－0.1PT弛豫铁电陶瓷，制备条件以1 100℃合成 MN，850℃预烧，1 240℃烧结为最佳.
（2）0.9PMN－0.1PT陶瓷介电常数非常大，具有较强的介电弛豫特性，表现为
介电峰宽化的弥散相变（DPT），频率色散明显.
（3）室温热释电系数为100pC·m－2 K－1，升温过程连续释放电荷.
【相关文献】
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