[发明专利]氧化钐掺杂改性的锆钛酸铅铁电陶瓷及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种氧化钐掺杂改性的锆钛酸铅95/5型铁电陶瓷及其制备方法，属于铁电压电陶瓷材料技术领域。

背景技术

Neilson于1957年提出，如果一个极化了的铁电体在外加冲击波作用下可以去极化，那么该铁电体可以用作脉冲电源（Neilson F W.Effects of strong shocks in ferroelectricmaterials.Bull.Am.Phys.Soc.,2,302(1957).）。对于一个极化的铁电体，存储的能量密度ω=Pr²/(2ε₀ε_r)，这里Pr是铁电体的剩余极化强度，ε_r是比介电常数，ε₀是空气介电常数。

PZT95/5型铁电陶瓷是指锆钛比位于95:5附近的一类锆钛酸铅陶瓷材料的总称。室温下PZT95/5型铁电陶瓷的组成位于铁电——反铁电相界附近，在电场、温度和应力等外场作用下可发生多种诱导相变。在冲击压缩作用下，极化的PZT95/5型铁电陶瓷在冲击波经过的时间内发生铁电—反铁电相变并释放样品表面的束缚电荷，可以在外电路形成大的电流脉冲或电压脉冲，被认为是脉冲电源应用的理想材料。

目前工程应用中的PZT95/5型陶瓷采用传统固相反应技术制备粉体和烧结陶瓷。该工艺制备的陶瓷通常具有95%以上的相对体积密度，即大约4-5%的本征气孔率，获得的剩余极化强度Pr=～35μC/cm²。根据应用要求，需要设计脉冲电源的输出功率。根据铁电陶瓷的能量存储密度公式ω=Pr²/(2ε₀ε_r)可以看出，通过改变陶瓷材料的剩余极化强度（Pr）可以调节铁电陶瓷的能量存储密度，从而实现电源输出功率的设计。

目前，通过制备添加造孔剂工艺可以调节陶瓷材料的密度，从而实现铁电陶瓷剩余极化强度的调节。曾涛等（Tao Zeng,XianLin Dong,ChaoLiang Mao,ZhiYong Zhou,HongYang.Effects of pore shape and porosity on the properties of porous PZT 95/5ceramics,J.Eur.Ceram.Soc.27,2025(2007).）的研究发现，随着孔隙率的增加，PZT 95/5铁电陶瓷的剩余极化强度逐渐降低。聂恒昌等（H.C.Nie,X.L.Dong,N.B.Feng,X.F.Chen,G.S.Wang,Y.Gu,H.L.He,and Y.S.Liu,Quantitative dependence of the properties ofPb_0.99(Zr_0.95Ti_0.05)_0.98Nb_0.02O₃ferroelectric ceramics on porosity，Mater.Res.Bull.,45,564(2010).）建立了多孔PZT95/5铁电陶瓷的剩余极化强度、介电常数与孔隙率之间的定量关系，使材料性能与显微结构之间的精细调控成为可能。但该工艺获得的多孔PZT95/5铁电陶瓷的杨氏模量、屈服应力和静态抗电击穿强度都显著降低，尤其是当造孔剂的添加量较高时。B.A.Tuttle等（B.A.Tuttle,P.Yang,J.H.Gieske,J.A.Voigt,T.W.Scofield,D.H.Zeuch,and W.R.Olson,Pressure-Induced Phase Transformation of Controlled-Porosity Pb(Zr_0.95Ti_0.05)O₃Ceramics,J.Am.Ceram.Soc.,84,1260(2001).）发现随着孔隙率的增加，PZT95/5铁电陶瓷的杨氏模量减小，导致陶瓷发生铁电－反体电相变应力减小。因此，如何在调节铁电陶瓷剩余极化强度的同时保持其优良性能成为一个重要问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种剩余极化强度可调且性能保持的锆钛酸铅95/5型铁电陶瓷及其制备方法，以解决通过添加造孔剂调节铁电陶瓷剩余极化强度时其性能降低的问题。本发明人经过研究发现，在锆钛酸铅95/5型铁电陶瓷中掺杂不同量的稀土元素Sm₂O₃可以达到这一目的。