PZT–PZN–PNN壓電陶瓷的制備及其能量轉(zhuǎn)換特性的研究.pdf

1、近年來,壓電能量收集技術(shù)面臨著如何提高器件的能量轉(zhuǎn)換效率的問題。作為大多數(shù)壓電能量收集器件的核心部件的壓電陶瓷材料要求具有較高的能量轉(zhuǎn)換系數(shù) d33·g33值,以保證器件能得到較高的功率輸出。但常用的PZT壓電陶瓷的d33和g33之間存在矛盾關(guān)系,不能滿足能量收集的要求。Pb(Zr,Ti)O3–Pb(Zn1/3Nb2/3)O3–Pb(Ni1/3Nb2/3)O3(PZT–PZN–PNN)體系壓電陶瓷具有良好壓電性能,并能在較大的范圍內(nèi)調(diào)整

2、其性能,被認(rèn)為非常適合應(yīng)用于壓電能量收集器件中。本論文將針對能量收集器件對壓電陶瓷材料的性能要求,對PZT–PZN–PNN多元壓電陶瓷體系進(jìn)行相結(jié)構(gòu)、微觀形貌和電學(xué)性能以及能量轉(zhuǎn)換特性等方面的研究,以獲得具有性能優(yōu)異的壓電陶瓷配方。
　　首先,探討了燒結(jié)溫度對xPZT–yPZN–(1–x–y)PNN體系壓電陶瓷性能的影響。以成分組成為0.8PZT–0.1PZN–0.1PNN的壓電陶瓷為例,當(dāng)燒結(jié)溫度從1000℃升至1250℃,基體

3、中的四方相含量明顯增多,同時溫度過高會形成雜相,嚴(yán)重影響壓電陶瓷的性能。對于0.8PZT–0.1PZN–0.1PNN壓電陶瓷,其最佳燒結(jié)溫度為1150℃,對應(yīng)的性能參數(shù)為:d33=540pC/N,ε33T/ε0=1692,kp=0.56,tanδ=0.0224,ρ=7.80g/cm3。通過反復(fù)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,指出該體系其它成分點(diǎn)的最佳燒結(jié)溫度應(yīng)隨著體系中PZT和PZN的相對含量而相應(yīng)地提高。
　　為了進(jìn)一步研究xPZT–yPZN–(1–

4、x–y)PNN體系壓電陶瓷中各組分對其性能的影響,在較大的范圍內(nèi)調(diào)整各組分的相對含量。通過對比這些成分點(diǎn)的 XRD圖譜,可大致地確定該體系的準(zhǔn)同型相變區(qū)域。準(zhǔn)同型相變區(qū)域可較好地解釋不同成分點(diǎn)的電學(xué)性能的變化。值得關(guān)注的是,在準(zhǔn)同型相變區(qū)域與菱方相交界處成分組成分別為0.75PZT–0.15PZN–0.10PNN和0.8PZT–0.05PZN–0.15PNN的成分點(diǎn)具有較大的d33·g33值,分別對應(yīng)為20162.2×10-15m2/N

5、和21026.3×10-15m2/N。分析其原因是由于在準(zhǔn)同型區(qū)域與菱方相區(qū)域附近相對介電常數(shù)ε33T/ε0的下降速度較快。
　　最后,將具有優(yōu)異性能的0.8PZT–0.05PZN–0.15PNN陶瓷與數(shù)種常見的商用壓電陶瓷制作成壓電單晶片懸臂梁,并對其發(fā)電性能進(jìn)行測試。通過在相同條件下發(fā)電效率的對比,得出具有高 d33·g33值的0.8PZT–0.05PZN–0.15PNN壓電陶瓷懸臂梁的輸出功率也最大,最大值為0.77mW,該