文 献 综 述

0.65PMN-0.35PT陶瓷的制备及其压电性能的研究

1.铁电材料概述

铁电材料是一类具有自发极化并且自发极化可以在外电场的作用下翻转的电介质材料。在外电场作用下,电介质中原本束缚着的电荷发生位移或者按电场方向转向的现象,称为电介质的极化,如果这种位移或者转向是在没有外电场的作用下自主实现,这种现象就叫自发极化。材料正负离子的对称中心不重合形成自发极化，其自发极化强度可以通过表面电荷密度的测量得到。通常在居里温度以下铁电体有一个或多个极化方向。［1］铁电体由于自发极化,内部会形成很多自发极化方向一致的微小区域,这种微小区域就叫铁电畴,简称电畴。两个铁电畴之间的界面就叫畴壁。在一定条件下,极化强度与外电场呈非线性变化,并且表现出滞后现象,这个回线就叫电滞回线，如图所示。［2］ 电滞回线［3］ 电滞回线表示铁晶体管中存在电畴。铁晶体管通常是由许多称为电畴的区域所组成，而在每一个电畴里面有相同的极化方向，而与邻近的电畴其极化方向不同。［4］如果是多晶体，由于晶粒本身的取向是任意的，不同电畴中极化强度的相对取向可以是没有规律的。但若是单晶体，不同电畴中极化强度取向之间存在着简单的关系。［5］假设在没有外电场的存在下，晶体的总电矩为零，及晶体的两类电畴中极化强度方向互为相反平行。［6］当外电场施加于晶体时，极化强度沿电场方向的电畴变大，而与其反平行方向的电畴则变小。当温度高于某一临界温度时，晶体的铁电性消失，并且晶格亦发生转变，这一温度是铁电体的居里点。由于铁电性的出现或消失，总伴随着晶格结构的改变，所以这是个相变过程。当晶体从非铁电相（称顺电相）向铁电相过渡时，晶体的许多物理性质皆呈反常现象。［7］对于一阶相变常伴随有潜热的发生，对于二阶相变则出现比热的突变。铁电相中自发极化强度是和晶体的自发电致形变相关，所以铁电相的晶格结构的对称性要比非铁电相（顺电相）的为低。如果晶体具有两个或多个铁电相时，表征顺电相与铁电相之间的一个相变温度，统称为过渡温度或转变温度。［8］

2.PMN-PT简介

铁电体分为正常铁电体和弛豫铁电体，弛豫铁电体就是从加电场到极化方向反转或重新定向有一段时间的材料。比如铌镁酸铅(简称PMN)，其在准同型相界附近具有优于传统压电陶瓷的较高的压电常数和电致伸缩系数，可完全代替传统的压电陶瓷，具有优良的铁电、压电、热释电、非线性光学性能。［9］弛豫铁电陶瓷从晶体结构角度可以分为钙钛矿型和钨青铜矿型两种结构。其中铅基钙钛矿型弛豫铁电陶瓷以铌镁酸铅（PMN）和铌锌酸铅（PZN）基材料为代表。［10］二十世纪五十年代末，前苏联科学家 G. A. Smolenskii 首次成功合成铌镁酸铅Pb(Mg1/3Nb2/3)O3（PMN），之后几十年的大量研究使人们更深入、全面的了解铌镁酸铅的独特性能，如具有很大的介电常数，相对低的烧结温度，较低的电容温度变化率，大的电致伸缩率和电滞应变滞后小等特性，使其成为制备多层陶瓷电容器、微位移器、制动器的理想材料。［11］PMN有ABO3型的钙钛矿结构，A位离子为pb2 ，配位数为12，B位离子为Mg2 和Nb5 ，配位数为6，它们在B位随机无序分布，整个晶体可以看成由氧八面体共顶点连接而成，空间群为Pm3m，a=4Aring;。［12］在微观结构上，弛豫铁电体表现为长程、中程与短程等不同结构层次的结构组元，它们之间所具有的强或弱的相互作用，使其具有不同于普通铁电体的优越性能。［13］

3.发展方向

本文主要采用二步法反应合成0.65PMN-0.35PT，进行固相烧结，对烧成的制品进行XRD物相分析，用SEM观察形貌特征和尺寸大小，以及电学性能的测试。具体的实验过程为: 文献中提到用原始粉料为分析纯的Nb2O5，MgO，PbO，TiO2。为了使Nb2O5和MgO混合均匀，同时减小粒径，增大反应活性，本实验中首先分析纯的Nb2O5和MgO粉体混合球磨然后烘干，1100摄氏度煅烧3h，以保证形成铌铁矿MgNb2O6。将反应得到的铌铁矿MgNb2O6与PbO，TiO2混合球磨24h，800摄氏度煅烧3h，最后将得到的PMN-PT粉体球磨，烘干，既得PMN-PT粉体。 从20世纪70年代开始， PMN基陶瓷的形成有了很多种制备工艺技术，例如80年代提出的两步预产物合成法，及在此基础上提出的一步固相法。90年代出现了溶胶-凝胶法、湿化学法、熔盐法、液相包裹法、共沉淀法、微乳液法等,另外还有机械力化学合成法、低温燃烧合成法。各种化学制备PMN-PT粉体的方法总的来说有两大类：溶胶-凝胶法和共沉淀法。这些化学法可以制得PMN-PT超细粉体，但化学法合成PMN的过程和传统固相法合成PMN的过程应是相同的，都是先生成焦绿石相，再和含Mg物质反应生成PMN钙钛矿相，之所以能消除焦绿石相是由于化学法的高均匀性及粉体颗粒较细，使得MgO的活性大大提高。总之化学法，尤其是溶胶-凝胶法成本较高，在薄膜材料制备中有着广泛的应用前景。

PMN-PT拥有良好的压电性能，但仍然有不少问题存在： (1) Pb基弛豫铁电低温烧结技术陶瓷结构及稳定性理论研究还未有较成熟的定论,需要通过系统研究PMN-PT陶瓷材料的结构及其在准同型相边界的性质,进一步研究其结构与其优异介电性能的原因。 (2) PMN-PT陶瓷介电性能、电致伸缩效应、电动机械特性等性能研究已成为热点,国内外在这方面已有不少报道,其中研究主要集中在某个特定的组分,如0.9PMN-0.1PT, 0.65PMN-0.35PT等,由此可以探究整个组成范围内对PMN基陶瓷性能的影响。

4.前景展望