Pb(Sc1/2Nb1/2)O3-Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-PbTiO3-PbZrO3陶瓷的介电、压电性能研究

赵 金，惠增哲，李小娟，龙 伟，方频阳

(西安工业大学 陕西省光电功能材料与器件重点实验室，西安 710021)



Pb(Sc1/2Nb1/2)O3-Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-PbTiO3-PbZrO3陶瓷的介电、压电性能研究

赵 金，惠增哲，李小娟，龙 伟，方频阳

(西安工业大学 陕西省光电功能材料与器件重点实验室，西安 710021)

为研究不同含量PbZrO3(PZ)对Pb(Sc1/2Nb1/2)O3-Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-PbTiO3-PbZrO3(PSN-PMN-PT-PZ)四元弛豫铁电陶瓷的影响，文中通过两步前躯体法制备位于准同型相界中的xPSN-yPMN-zPT-hPZ(x/y/z/h=6/60/33/1，5/58/34/3，5/55/35/5，5/53/35/7)四元弛豫铁电陶瓷.采用X射线衍射仪分析了所制备陶瓷的相结构，通过测定介电常数和温度之间的关系确定了陶瓷的相变温度，利用居里-外斯公式拟合了不同组分陶瓷的弥散相变特性.研究结果表明：所制备的陶瓷试样均为纯的钙钛矿结构.随着PZ含量的增加，PSN-PMN-PT-PZ陶瓷居里温度Tc逐渐升高(134～160 ℃)，介电常数降低，相变弥散度也增强；在所有组分中，0.05PSN-0.55PMN-0.35PT-0.05PZ组分表现出良好的综合性能,其居里温度Tc为151 ℃,压电常数d33为325 pC·N-1,机电耦合系数kp为54.34 %,最大介电常数εm为7 779,介电损耗tanδ为0.02.

PSN-PMN-PT-PZ；铁电陶瓷；相结构；电学性能

由于PMN-PT弛豫铁电体具有优异的介电、压电和机电耦合等性能，一直是人们关注的热点[1-4].但是PMN-PT的三方四方相变温度(Tr-t<90 ℃)和居里温度(Tc约140 ℃)较低，限制了PMN-PT的应用.近年来，研究者更加关注具有较高的三方四方相变温度Tr-t和居里温度Tc的弛豫铁电体，如Pb(Sb1/2Nb1/2)O3-PbTiO3(PSN-PT)[5]，Pb(Yb1/2Nb1/2)O3-PbTiO3(PYN-PT)[6]，Pb(Sc1/2Nb1/2)O3-Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-PbTiO3(PSN-PMN-PT)[7]和Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-PbTiO3- PbZrO3(PMN-PT-PZ)[8]等.其中，在PMN-PT二元体系中加入Pb(Sc1/2Nb1/2)O3(PSN)，得到Pb(Sc1/2Nb1/2)O3-Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-PbTiO3(PSN-PMN-PT)三元弛豫铁电陶瓷，其三方四方相变温度(Tr-t约100 ℃)和居里温度(Tc约192.2 ℃)得到了很大的提高.研究表明，位于准同型相界的弛豫铁电单晶Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-PbTiO3(PMN-xPT，x=30～35)具有优异的压电性能(d33=2 000～3 100 pC·N-1)和较高的机电耦合系数(k33=90%～95%)[9].此外，文献[10]报道了Pb(Sb1/2Nb1/2)O3-PbZrO3-PbTiO3(PSN-PZ-PT)三元体系具有较高的机电耦合系数kp=0.65.PbZrO3(PZ)是反铁电体的典型代表，其居里温度为 232 ℃.与准同型相界PMN-PT相比，三元PMN-PT-PZ陶瓷具有较高的相变温度以及非常高的机械品质因数Qm≥2 000.因此本文采用两步前躯体合成法制备PSN-PMN-PT-PZ四元弛豫铁电陶瓷，在PSN-PMN-PT体系中引入锆酸铅(PZ)，将其改为四元体系PSN-PMN-PT-PZ，一方面与PMN-PT相比，在不降低压电性能的前提下可有效地提高Tr-t；另一方面与PSN-PMN-PT相比，能够极大地减少Sc2O3的用量，降低成本，同时可以降低材料熔点，以期待PSN-PMN-PT-PZ具有高的相转变温度及优良的电学性能.

1 实验材料与方法

根据两个三元的最优组分0.06PSN-0.61PMN-0.33PT和0.16PMN-0.44PT-0.40PZ，采用四元线性准同型相界规律[11]，确定PSN-PMN-PT-PZ四元弛豫铁电陶瓷准同型相界的组分配比.制备四个组分的PSN-PMN-PT-PZ四元弛豫铁电陶瓷，分别为：0.06PSN-0.60PMN-0.33PT- 0.01PZ，0.05PSN-0.58PMN-0.34PT-0.03PZ，0.05PSN-0.55PMN-0.35PT-0.05PZ和0.05PSN- 0.53PMN-0.35PT- 0.07PZ.

本文采两步前驱体合成法制备陶瓷，以分析纯的Nb2O5(99.95%)、Sc2O3(99.99%)、PbO(99.0%)、MgO(99.9%)、TiO2(99.0%)和ZrO2(99.9%)为起始原料，预合成MgNb2O6(MN)和ScNb2O4(SN)，MN的合成工艺为1 000 ℃保温6 h，SN的合成工艺为1 200 ℃保温3 h.将MN、SN、TiO2、ZrO2和PbO(过量3%)按计量比湿法球磨混合，烘干压成大块，850℃预……