多孔PZT的制备与性能研究

　　锆钛酸铅(PZT)作为一种传统的压电材料,广泛应用于超声传感领域,其高机电耦合系数,优越的介电压电性能使其非常适用于水下高能超声转换。致密的PZT陶瓷具有高的压电系数,但由于晶态材料取向性的限制,使其在不同方向上的压电常数呈不同的符号,且该材料有较大的介电常数,当该材料用于水声换能器和水听器领域的时候,会大大降低器件灵敏度;另外,用于这些领域的PZT陶瓷还存在与媒介的密度不同,造成与媒介的声阻抗性匹配差,这也会大大影响器件的压电敏感性。实验证实,增加材料的空隙率可以在一定程度上保留材料优良的压电性能的同时,增大材料与媒介的声阻抗匹配和增加材料的灵敏度。本文用传统的方法制备了不同孔率的PZT,并对其介电性能和压电性能与孔隙率的关系进行了讨论,并结合其微观结构初步讨论了产生影响的原因及讨论了多孔PZT做水下超声应用的可行性[1-5]。

　　1　实验过程

　　制备多孔PZT的工艺流程如图1所示。以纯度为99.5%以上的PbO、TiO2、ZrO2和Nb2O5粉末作为初始原料.以Pb[(Zr0.52Ti0.48)Nb0.01]O3的比例称取相应的氧化物粉料,其中PbO过量3%(质量分数)以补偿在烧结过程中的PbO挥发。将粉料预压后置于氧化铝坩埚中,以240℃/h升温至500℃后以120℃/h升温到980℃,保温2 h随炉冷却;将煅烧所得的陶瓷片粉碎后与一定量的造孔剂和1%的PVA粘接剂球磨混合,在120 kPa压力下压成片,并以60℃/h的速率加热到400℃,保温4 h以保证粘接剂和造孔剂的彻底排除后持续升温至980℃,保温2 h,则得多孔陶瓷素胚后,将排塑好的素坯置于封闭的氧化铝坩埚中,在PbO气氛中加热到1200℃,保温2h后随炉冷却将所得到的样品表面抛光,超声清洗,干燥后上银电极,烧银后在120℃的硅油浴,3 kV/mm的直流电压下极化15 min。

　　图1　多孔PZT制备工艺流程

　　用传统的阿基米德排水法测样品的体积密度和气孔率;用ZJ-3AN型准静态d33测量仪测量样品的纵向压电系数d33;用HP4294阻抗分析仪反谐振频率后结合样品的厚度、面积,根据压电方程计算出材料的机电耦合系数和横向压电系数d31和样品的静水力品质因数,并对样品进行XRD分析;用JSM-5610LV扫描电镜对样品形貌进行分析。

　　2　实验结果与讨论

　　2.1　微观结构

　　图2为孔隙率随造孔剂质量分数变化的关系图。多孔PZT相对于致密的PZT材料密度的减小,改善了材料与水和人体组织的声学阻抗匹配,这种性质也适用于水下超声传感器的电能相互有效转换。由图可知,随着造孔剂质量分数的增加,孔隙率也不断增大,相应的材料的密度减小。由此可知,该范围内的孔的形成主要是由于慢慢升温到400℃保温4 h的过程中烧出了造孔剂形成的。