题目：PZT-PMS-PZN四元系压电陶瓷材料的制备与电性能研究

本文根据大功率多层压电陶瓷变压器对压电陶瓷材料的使用要求，即在较低的烧结温度下具有高的机械品质因数Qm，高的机电耦合系数Kp，高的压电常数d33和低的介质损耗tan δ及谐振内阻r，从陶瓷粉体的制备技术、材料的组分设计、掺杂技术和添加助烧剂四方面研究Pb(Zr0.52Ti0.48)O3-Pb(Mn1/3Sb2/3)O3-Pb(Zn1/3Nb2/3)O3 (缩写为PZT-PMS-PZN) 四元系压电陶瓷材料。
采用新制备技术―熔盐法成功地制备了PZT-PMS-PZN四元系压电陶瓷材料。通过对PZT-PMS-PZN体系陶瓷粉体的XRD衍射图分析，发现熔盐法使粉体的预烧温度从800 C降低到750 C。通过对陶瓷粉体的SEM形貌观察，发现粉体的形貌得到了改善，提高了粉体的活性。通过研究熔盐法制备的陶瓷密度和电性能，表明熔盐法降低了陶瓷的烧结温度，提高了陶瓷的电性能，并通过XRD技术分析不同温度下预烧的粉体的相组成，提出了熔盐法制备陶瓷粉体的固相反应机理。
系统地研究了Pb(Zn1/3Nb2/3)O3 (缩写为PZN)组分变化对PZT-PMS-PZN四元系压电陶瓷相结构、显微组织和电性能的影响。结果表明：随着PZN含量的增加，体系的相结构从菱方相过渡到四方相，其准同型相界处于PZN含量为0.02 mol到0.07 mol之间。随着PZN含量的增加，陶瓷的晶粒生长受到抑制，陶瓷的Qm逐渐减小，Kp先增加后降低，d33大幅度地增加，tan δ和r均先减小后增加。当PZN含量为0.05 mol时，1150 C烧结的陶瓷综合电性能为：Qm=1381，Kp=0.64，d33=369 pC/N，tan δ=0.0044，r=1.576 Ω，从而筛选出综合性能较优的四元系压电陶瓷基础配方。
为了进一步提高材料的综合电性能，尤其是进一步提高材料的Qm，我们采用MnO2和WO3掺杂剂对PZT-PMS-PZN陶瓷进行改性研究。首先系统研究了MnO2含量对该陶瓷显微结构和电性能的影响，结果表明：在MnO2含量变化范围内，陶瓷相结构均以(200)R菱方相结构为主。随着过量MnO2量的增加，陶瓷的晶粒长大，Qm和tan δ 先升高后降低，Kp和d33均下降，而r整体呈现上升趋势。当MnO2过量0.2 wt.%于1150 C下烧结的陶瓷样品具有较好的综合电性能。其次，系统研究了WO3含量对陶瓷显微结构和电性能的影响，结果表明：在WO3含量变化范围内，陶瓷相结构均以(002)T和(200)T四方相为主。随着WO3含量的增加，陶瓷平均晶粒尺寸减小，陶瓷的Qm缓慢增加，Kp和d33先增加后降低，tan δ先降低后增加，r则一直降低。当WO3含量为0.6 wt.%时，于1150 C下烧结的陶瓷具有优良的综合电性能。
综合MnO2和WO3掺杂对PZT-PMS-PZN陶瓷显微结构和电性能的影响研究，当MnO2掺杂量为0.2 wt.%，WO3掺杂量为0.6 wt.%时，在1150 C下烧结， PZT-PMS-PZN陶瓷的综合电学性能优良，其性能为：Qm=1852，Kp=0.58，d33=243 pC/N，tan δ=0.0050，r=2.49 Ω，该材料对于大功率压电陶瓷变压器的应用具有很大的潜力。
为了实现MnO2和WO3改性后PZT-PMS-PZN陶瓷的低温烧结，使其与低含量钯内电极浆料相匹配，采用ZnO为助烧剂，详细地研究了ZnO含量对四元系PZT-PMS-PZN压电陶瓷相结构、显微组织的影响及对陶瓷烧结性能和压电性能的改善。结果表明：随着ZnO含量的增加，体系的相结构从菱方相转变为四方相，陶瓷晶粒逐渐长大，陶瓷的 Qm先增加后降低，Kp和d33均呈上升趋势，r先降低后增加，tan δ开始迅速下降，随后保持不变。当ZnO的含量为0.1 wt.%时，陶瓷的综合电性能最优，尤其d33提高到300 pC/N。通过研究烧结温度对添加ZnO的陶瓷微观形貌和电性能的影响，发现0.1 wt.% ZnO的加入可使陶瓷的烧结温度从1150 C降低到1120 C，此时陶瓷烧结致密，具有优良的电性能：Qm=1899，Kp=0.55，d33=300 pC/N，tan δ=0.0063，r=1.97 Ω，该体系有望成为大功率多层压电陶瓷变压器用的候选材料。