● 摘要
压电双晶片在微型机械、微型机器人和微控制器中有着广阔的应用前景。根据双晶片用压电陶瓷是在较大的振动位移的状态下工作的，因此，要求其压电材料应具有高的压电常数d33和机电耦合系数kp及低的机械品质因数Qm和低的介电损耗tanδ。由于Pb(Zr0.48Ti0.52)O3-Pb(Zn1/3Nb2/3)O3-Pb(Ni1/3Nb2/3)O3（缩写为PZT-PZN-PNN）体系具有较好的压电性能和良好的烧结特性，本文通过对这个体系进行PZT和PNN组分含量的变化、锆钛比的调整以及加入第五组元PMW等方面的研究，提高了材料体系的压电性能和温度稳定性，获得了能够满足实际应用要求的双晶片用压电陶瓷材料。
首先，采用传统固相法制备了不同PZT含量的PZT-PZN-PNN四元系压电陶瓷，随着PZT含量从0.81到0.89的变化过程中，材料的相结构均为四方相且c/a比逐渐增加，表明材料的四方相逐渐加强。同时，随着PZT含量的增加，其谐振电阻Rf和带宽Δf逐渐减小，并向高频方向移动。当PZT含量为0.83时，获得了较优的压电性能： d33=477 pC/N, kP=0.71, Qm=98, tanδ=0.0070 和 εr=2228。另外，在-20°C 到+120°C温度变化过程中，随着组分PZT含量的增加，材料的介电常数温度系数Δεr/εr25°C 逐渐减小，表明其温度稳定性逐渐增强。
其次，在PZT含量调整之后，对材料配方中PNN的含量进行了调整。随着PNN含量的增加，材料相结构均为四方相结构，材料的c/a先增大，后减小。随着PNN含量的增加，材料的机电耦合系数kp和压电常数d33先增大后减小，在y=0.36处得到最大值。材料的Qm随着PNN含量的增加而减小。材料在PNN含量为0.36时获得较优的压电性能：d33=527pC/N，kP=0.78，Qm=122，tan δ=0.0060 和 εr =2465。此时，材料的谐振频率温度系数Δfr/fr25°C在120°C 时仅为1.50%，综合考虑频率温度稳定性和压电性能，选择PNN摩尔含量为0.36，作为下一步研究的基础。
随后，对材料体系的性能随Zr/Ti比变化的规律进行了研究。研究发现：在Zr/Ti比从0.720到1.041变化的过程中，材料相结构均为四方相。当Zr/Ti比接近于1.041时，材料的c/a接近于1，显示此时材料近位于相界附近偏三方相的区域。材料在Zr/Ti比为0.985时获得了性能较佳的材料组成：
0.83Pb(Zr0.496Ti0.504)O3-0.17{0.64Pb(Zn1/3Nb2/3)O3-0.36Pb(Ni1/3Nb2/3)O3}+0.3wt%CeO2 +0.1wt%MnO2。其压电性能分别为：d33=552 pC/N，kP=0.77，Qm=70，tan δ=0.0150 和 εr=2659。当Zr/Ti =0.985时，材料的Δfr/fr25°C在120°C 时仅为1.03%，表明此时材料配方具有较好的频率温度稳定性。
最后，为进一步提高材料的压电性能和温度稳定性，在材料体系中添加了第五组元PMW，在 PMW的添加量z=1.60mol%时，获得了一个电性能和温度稳定性较优的压电陶瓷材料配方体系：
0.83Pb(Zr0.480Ti0.520)O3–0.17{0.64Pb(Zn1/3Nb2/3)O3-0.36Pb(Ni1/3Nb2/3)O3}+1.60mol% Pb(Mg1/2W1/2)O3 +0.3wt%CeO2+0.1wt%MnO2。其压电性能分别为：d33=565pC/N, kP =0.78, Qm =89, tan δ=0.0066 和 εr=2523。同时，材料的频率温度稳定性达到极小值：当测试温度为120°C 时，材料的Δfr/fr25°C在120°C 时仅为-0.32%，此材料性能可以满足双晶片对压电材料性能的要求。