文献报道， 采用锶掺杂可以改善锆钛酸铅的介电损耗性能 ， 铌掺杂可以改善锆钛酸中的介电常数及老化率减少 ，作者通过研究铌锶复合掺杂对锆钛酸铅压电陶瓷材料的影响，从而制得了高性能的汽车倒车雷达元件用压电陶瓷材料。

      1 实 验

      1．1 压电陶瓷材料的制备

      以高纯度（纯度＞９９．５％） 的氧化物Ｐｂ３ Ｏ４ 、ＺｒＯ２ 、ＴｉＯ２ 、Ｎｂ２ Ｏ５ 、ＳｒＣＯ３ 为原料， 按照化学计量比进行配料， 用湿法球磨混合均匀， 样品烘干， 在实验炉中１０５０ ℃／２ ｈ 预烧， 对烧块二次球磨， 烘干； 所得粉料制备流延浆料， 在全自动流延机上流延制备得到２０ μｍ 厚的均匀薄膜， 通过叠压成型制得φ７．６ ｍｍ×０．１８ ｍｍ 的生坯， 在实验炉１２００ ℃／２ ｈ 烧结压电陶瓷片； 在陶瓷片两面印银， ８５０ ℃烧银， 然后在场强为１６００ Ｖ／ｍｍ、１００ ℃空气中极化２０ ｍｉｎ， 极化好的样品静置２４ ｈ， 待测试用。

     1．2 压电性能测试

    １．２．１ 介电常数的测试

     介电常数εｒ 的测试方法： 使用常州同惠电子有限公司生产的ＴＨ２６１８ 型电容测试仪， 在１ ｋＨｚ 下测试待测样品的电容，由公式（１）计算介电常数εｒ：

                         εｒ ＝１４．４×C×t／Φ２          （１）

            式中： C———电容， ＰＦ t———压电陶瓷试样的厚度， ｃｍ

                        Φ———压电陶瓷试样的圆形银电极直径， ｃｍ

    １．２．２ 介电损耗ｔａｎδ

     使用常州同惠电子有限公司生产的ＴＨ２６１８ 型电容测试仪测试， 在１Ｋ Ｈｚ 下测试待测样品的损耗值。

    １．２．３ 电容温度变化率ΔＣ／Ｃ

     将样品置于上海龙松检测设备有限公司的ＬＳ－Ｔ－１０７－Ｃ 高低试验箱试验， 当箱内到达设定温度后， 保温０．５ ｈ， 使用中国常州同惠电子有限公司生产的ＴＨ２６１８ 型电容测试仪测量在１ ｋＨｚ 下测试电容量， 测试温度点为： ２５ ℃、－５５ ℃、８５ ℃，通过公式（２）计算得出－５５ ℃、８５ ℃下的容温变化率：

                   ΔＣ／Ｃ＝（Ｃｔ－Ｃ２５ ） ／Ｃ２５ （２）

       式中： Ｃ２５———２５ ℃下的电容量， Ｆ

                  Ｃｔ———温度分别为ｔ１、ｔ２ 时的电容量， Ｆ （ｔ１ ＝－５５ ℃、ｔ２ ＝８５ ℃）

    １．２．４ 机电耦合系数Ｋｐ

     采用北京邦联时代电子科技有限公司的ＰＶ９０Ａ－阻抗分析仪测试样品的谐振频率Ｆｒ、反谐振频率Ｆａ ， 通过公式（３）计算机电耦合系数Ｋｐ ：

       

     １．２．５ 压电常数Ｄ３３

      采用中科院声学所的ＺＪ－３ＡＮ 准静态压电常数ｄ３３测试仪对样品进行测试。

      1．3 SEM 测试

      采用上海Ｐｈｅｎｎｏｍｒ ｐｗ－１００－０１０ 的扫描电镜观察陶瓷晶粒形貌。

 

     2 结果与讨论

      从表１ 和图１ 中可以看出， 锶铌复合掺杂可以改善材料的压电性能， 但掺杂量太大将会引起性能下降。当碳酸锶、氧化铌的添加量ｘ≤０．６％时， 随着添加量的增加， 其介电常数εｒ、机电耦合系数Ｋｐ 是呈现增加的趋势， 当添加量ｘ 为０．６％时，其介电常数εｒ 及机电耦合系数Ｋｐ 均处于最大值， 其介电常数εｒ 可达到２１００， 机电耦合系数Ｋｐ 可达到０．８１； 随着添加量的不断增加， 其介电常数εｒ 及机电耦合系数Ｋｐ 是呈下降的趋势。

      从图２ 可以看出， 随着碳酸锶、氧化铌的添加量的增加，其损耗值ｔａｎδ 是呈下降的趋势； 在添加量ｘ≤０．６％时， 随着添加量的增加， 其Ｄ３３ 呈现增加的趋势， 当添加量ｘ 为０．６％时，其Ｄ３３处于最大值， 可达到４５０ ｐＣ／Ｎ， 随着添加量的不断增加，其Ｄ３３又开始下降。

      从表１ 和图３ 可以看出， 锶铌复合掺杂可以改变材料的容温特性， 当碳酸锶、氧化铌添加量ｘ≤０．６％时， 随着其添加量的增加， 其电容温度变化率是变好的， 可以将其容量温度变化率向小变化率靠近， 当添加量ｘ 为０．６％时， 其电容温度变化率最好， －５５ ℃及８５ ℃ 的容量变化率为－６．５％及７．３％， 其绝对值均达到≤１０％， 随着其添加量的不断增加， 其温度系数又向变差的方向发展。

     从图４ 中可以看出， 随着碳酸锶、氧化铌添加量ｘ 的增加，其样品的平均晶粒会适当增大， 当添加量为０．６ｗｔ％时， 其样品的平均晶粒大约在５ μｍ， 并且晶粒很致密， 气孔很少， 因此其样品的压电性能（介电常数、机电耦合系数Ｋｐ 、Ｄ３３ 、介电损耗） 都处于最佳的参数， 随着添加量的增加， 其晶粒已过分长大， 性能开始下降。

      通过Ｎｂ５＋、Ｓｒ２＋的引入对纯的ＰＺＴ 压电陶瓷进行复合掺杂，获得锶铌掺杂改性的压电陶瓷。通常选取活性更高、稳定性更好的碳酸锶作为添加物， Ｓｒ２＋取代部分Ａ 位的Ｐｂ２＋、铌（Ｎｂ５＋），金属离子进入固溶体之后， 因其离子半径的大小与Ｂ 位Ｔｉ４＋的离子半径相近， 通常会占据Ｂ 位＋的位置， 通过Ａ、Ｂ 位的置换， 其晶格产生畸变， 从而有利于畴壁运动， 在较小的电场或机械力应力作用下就能进行畴壁运动， 因此介电常数、Ｋｐ 、Ｄ３３ 、介电损耗等性能会提高， 并且老化性好， 容量温度变化率小， 适量的加入可保证材料的压电性能的情况下， 又具有良好的容量温度特性。

       3 结 论

     铌、锶复合掺杂可使样品介电常数、机电耦合系数Ｋｐ 、Ｄ３３ 、容量温度系数有较明显的改善， 当添加量为０．６％时， 可得到致密的压电陶瓷材料， 其压电性能为： εｒ ＝２１００， Ｄ３３ ＝４５０ ｐＣ／Ｎ， Ｋｐ ＝０．８１ 及ΔＣ／Ｃ＜１０％（－５５ ～８５ ℃）， 可以满足高性能的汽车倒车雷达的应用要求。

                                                                            作者：文 理， 刘玉红