李向东 ,张 军 ,任奕菲 ,肖建中 ,吕根品

(1.华中科技大学 材料科学与工程学院,湖北 武汉 430074;2.乳源瑶族自治县东阳光实业发展有限公司博士后工作站,广东 韶关 512721;3.东莞市东阳光超声波有限公司,广东 东莞 523871)

锆钛酸铅(PZT)具有优异的压电、介电、热释电性能,尤其在准同型相界(MPB)附近具有较高的压电常数和机电耦合系数,是制备超声换能器、压电变压器、滤波器和压电蜂鸣器等器件的基础材料,被广泛应用于电子元件、机械制造、控制系统、医疗器械、航空航天等领域[1-4]。

PZT 是ABO3型钙钛矿材料,具有易掺杂改性的特点,可以通过稀土元素掺杂提高PZT 陶瓷的压电和介电性能[5-7]。如 La3+、Nd3+、Gd3+、Dy3+、Er3+、Yb3+、Eu3+、Sm3+等取代PZT 晶体结构A 位的Pb2+离子,会产生Pb2+空位,导致氧八面体耦合弱化形成极性微区,使PZT 的压电常数、机电耦合系数、介电常数增大,机械品质因数、矫顽力减小[8-11]。

目前,Sm3+掺杂PZT 已有诸多研究报道,如Juneja 等研究了Pb1-xSmx(Zr0.52Ti0.48)O3(PSxZT,x=0～ 0.02)陶瓷的压电及介电性能[12-13];Rajiv 等研究了不同锆钛比PSxZT 陶瓷的介电性能、阻抗及电模量特性[14-17];郑阳[18]研究了Sm3+掺杂量和不同玻璃助烧剂对Pb1-xSmx(Zr0.55Ti0.45)1-x/4O3(x=0～ 0.09)陶瓷微观结构、介电和压电性能的影响。这些研究表明适量的Sm3+掺杂可以提升PZT 的压电和介电性能,但其掺杂方法均为固相法。固相法反应条件苛刻,需要高温烧结,易导致PbO 挥发,影响PZT 陶瓷的结构与性能[19]。

水热合成法避免了因高温煅烧和球磨等后续处理引起的杂质和结构缺陷,可以在较温和反应条件下实现PZT 的掺杂改性[20-22]。目前,鲜见水热合成法制备Sm3+掺杂PZT 陶瓷的研究报道。因此,本文采用水热合成法制备Pb1-xSmxZr0.52Ti0.48O3粉体,研究Sm3+掺杂及烧结温度对Pb1-xSmxZr0.52Ti0.48O3陶瓷的物相组成、微观形貌、压电及介电性能的影响。……