● 摘要
本论文选择PbNb2O6 (简记为PN)基高温压电陶瓷为研究对象。PN基陶瓷属于钨青铜型铁电体材料，是目前应用最广泛的高温压电陶瓷材料之一。本文选择在PN基压电陶瓷中掺杂Sr2+和W6+，使其保持高居里温度的条件下提高压电活性。采用传统的标准电子陶瓷工艺法制备PN基陶瓷，研究了Sr2+和W6+对陶瓷的相结构、显微组织、介电、压电和铁电性能的影响规律。 (1)采用传统固相反应法制备了(Pb1-xSrx)Nb1.96Ti0.05O6+2wt%PbO(x=0，0.02，0.04，0.06，0.08) (PNTSr/x)高温压电陶瓷，并详细探究了Sr2+含量对PNTSr/x陶瓷的相结构、显微组织、介电、压电和铁电性能的影响规律。实验结果表明Sr2+取代Pb2+有利于降低烧结温度。XRD图谱表明所有陶瓷样品均形成了正交铁电相。SEM和密度的测试结果表明SrCO3的添加提高了陶瓷的致密性。陶瓷的晶粒尺寸和晶格参数随着Sr2+含量的增加而变化。由介电温谱可知居里温度和最大介电常数也随着Sr2+含量的改变而变化，同时也用居里-外斯定律和居里-外斯修正定律研究了介电温谱数据。当Sr2+掺入量x=0.04时，陶瓷具有最佳的压电和介电性能，有望应用在高温压电传感器领域。 (2)采用传统固相反应法制备了Pb0.95-xBa0.05(Nb1-xWx)2O6 +2wt%PbO+0.25wt%TiO2 (x=0，0.025，0.05，0.075，0.1) (简称PBNW/x)压电陶瓷，并详细探究了W6+掺杂量对PBNW/x陶瓷的晶体结构、显微组织、介电及压电性能的影响规律。SEM和密度表明W6+掺杂有助于提高陶瓷的致密度。XRD结果表明所有陶瓷均形成了单一的正交铁电相。晶格参数和晶粒尺寸均随着W6+含量的增加而变化。所有陶瓷均表现出铁电体的典型特征，即陶瓷在居里温度处由铁电相转变为顺电相。居里温度和最大介电常数都和W6+掺杂量密切相关。当W6+掺入量x=0.075时，得到材料的压电常数d33=108pC/N，机械品质因数Qm=29，介电损耗tan=0.006和居里温度Tc=448C。当退火温度从室温升到400C，压电常数和平面机电耦合系数并没有发生明显的降低，PBNW/0.075陶瓷的压电常数依然高达96pC/N，和室温相比仅仅降低了11%。制备的PBNW/0.075陶瓷有望在高温压电传感器领域中使用。 (3)为满足制备石油测井用高温压电传感器需求，采用传统电子陶瓷制备工艺制备了具有较大尺寸的PBNW/0.075陶瓷样品(Ф28.55mm×3.5mm)。XRD图谱表明 PBNW/0.075陶瓷样品在1210C、1230C和1250C下均形成了纯的正交铁电相，没有第二相生成，这说明该陶瓷形成正交铁电相的烧结温度范围较宽。SEM结果表明，烧结温度对PBNW/0.075陶瓷样品的晶粒尺寸的影响较为明显，温度较低时晶粒没有完全发育且气孔较多，温度高时晶粒有熔融现象，在最佳烧结温度点时陶瓷晶粒发育良好、气孔较少、陶瓷密度也较高。介电温谱表明各温度点下该陶瓷的介电常数从室温到400C几乎没有变化，这说明PBNW/0.075材料在400˚C以下都具有良好的介电温度稳定性，居里温度值在450C左右，符合制备高温压电传感器件的要求。PBNW/0.075陶瓷样品的性能参数表明陶瓷的径向谐振频率与圆片的厚度和直径有关，且厚度和直径较小的片拥有较大的径向谐振频率。陶瓷样品的损耗值tan<0.01，机械品质因数Qm<24，平面机电耦合系数Kp<0.24，压电常数在75pC/N左右。改变极化工艺，当PBNW/0.075陶瓷样品极化20min后对极化试样在施加电压情况下迅速冷却至40C左右，发现压电常数明显提高，均值可达85pC/N左右。