0.655PMN-0.345PT 压电陶瓷流延成型工艺研究

王 会，李 冉，高 亮，赵 毅，徐姗姗

（北方通用电子集团有限公司 微电子部，江苏 苏州 215163）

PMN-PT 压电陶瓷制备工艺很多，较为常见的工艺如固相烧结法、熔盐法、半化学法及氧化物混合法等[1-4]。其中，传统压电陶瓷的制备多采用固相反应法合成，但利用此方法制备的PMN 基陶瓷材料粉体经常存在着一定的焦绿石相，而焦绿石相的存在会严重弱化压电陶瓷材料的介电性能[5-7]。随着压电陶瓷在多层陶瓷电容器、电光学器件、微位移驱动器等精密领域的应用，其对陶瓷性能提出了更高的要求。因此近年来出现了一些新工艺新方法应用在压电陶瓷的制备上[8-9]。

本文通过前驱体法外加流延成型法制备了高纯钙钛矿相 0.655Pb（Mg1/3Nb2/3）O3-0.345PbTiO3压电陶瓷。通过对试样物相、密度、微观形貌、压电、介电及铁电性能的测试，研究了烧结温度对样品性能的影响规律，得到最优的烧结温度。与传统的固相烧结法相比，流延成型法制备的陶瓷性能更优。

1 实验

本文通过流延成型法制备了PMN-PT 压电陶瓷，原材料包括 PbO、Nb2O5、MgO 和 TiO2，具体如表 1 所示。

0.655PMN-0.345PT 压电陶瓷制备过程主要分为两步：第一步为前驱体法合成MgNb2O6（烧结温度分别设置为1020℃，1050℃，1080℃）；第二步为流延成型法制备0.655Pb（Mg1/3Nb2/3）O3-0.345PbTiO3压电陶瓷。

表1 原材料具体指标及配比

0.655PMN-0.345PT 压力陶瓷制备完成后，通过X 射线衍射仪测定和分析试样的物相；利用扫描电镜分析陶瓷微观形貌；利用准静态测试仪测试陶瓷压电常数；利用精密阻抗分析仪测试陶瓷机电耦合系数、介电常数；利用铁电分析仪测量陶瓷电滞回线。

2 结果与分析

2.1 物相分析

实验采用二次合成法制备铌镁酸铅PMN，为促进Pb（Mg1/3Nb2/3）O3（PMN）的形成，将MgO 设置为过量0.3%，因为MgO 的微过量可以促进化学反应。

分别在1020℃，1050℃，1080℃三个温度下率先制备前驱体MgNb2O6，前驱体可以避免焦绿石相的生成。对制备的陶瓷进行XRD 测试，实验结果如图1 所示。三个温度下合成的MgNb2O6均具有纯铌铁矿相结构。本实验最终确定1050℃作为前驱体的合成温度。

图1 不同烧结温度下MgNb2O6 前驱体XRD 图谱

2.2 显微结构分析

利用扫描电子显微镜观察了不同烧结温度下样品的微观形貌，如图2 所示。结果表明，陶瓷晶粒之间结合紧密，横截面并无明显的分层现象，说明流延成型制备的压电陶瓷晶粒生长状况良好。此外，随着烧结温度的升高，陶瓷晶粒逐渐长大。

由于当烧结温度较低时，晶粒生长没有完全发育并伴有气孔，如图2（a）。烧结温度升高时，晶粒生长发育逐渐完全，晶粒与晶粒之间结合也更加紧密，此时已几乎观察不到气孔，晶粒尺寸比较均匀，约为3～4m，如图2（c）。而当温度继续升高到1225℃时，陶瓷晶粒异常长大，晶粒尺寸约为9～11μm，如图 2（d）。这是因为烧结温度较高，晶界处缺陷减少，晶粒易于生长。

2.3 电性能

图3 所示为0.655PMN-0.345PT 压电陶瓷的d33和kp随烧结温度的变化关系。从图中可以看出，当烧结温度从1150℃升高到1200℃时，d33值从 610pC/N 快速增加至700pC/N，kp值同样从0.549 增加至0.605。这是由于随着烧结温度升高，陶瓷晶粒逐渐长大，气孔率减小，致密度增大，使得压电性能提高，表现为d33和kp值均增加。当烧结温度进一步升高至1225℃时，致密度下降，晶粒尺寸异常长大，一定程度上影响了性能，d33和kp值都开始下降，结果表明压电陶瓷在1200℃烧结时压电性能最好。

图4 所示为0.655PMN-0.345PT 压电陶瓷的介电常数εr和介电损耗tanδ 与烧结温度的关系。结果表明，介电常数εr和介电损耗tanδ 随着烧结温度的变化趋势与压电性能随烧结温度的变化趋势相似，即先增加后减小，在1200℃达到最大值，介电常数εr为4.77×103，介电损耗tanδ 为0.016。其原因可以解释为，在温度升高的这一过程中，晶粒不断增大，导致单位体积内晶界的数量减少，而晶界属于非铁电相，其介电常数与晶粒的介电常数相比要小得多，所以晶界数量的减少，在一定程度上导致了陶瓷介电常数的增大。在1200℃以后，介电常数和介电损耗皆呈下降趋势，这是由于晶粒异常长大，致密度降低，晶界的体积分数增大，导致介电性能下降。

0.655PMN-0.345PT 压电陶瓷同样具有铁电性，电滞回线是铁电材料的重要物理特性。图5 所示为不同烧结温度下压电陶瓷的电滞回线，剩余极化强度和矫顽场在1200℃分别出现极大值30.68μC/cm2和极小值0.35kV/mm，剩余极化强度变大和矫顽场变小说明畴壁容易活动，所以极化效率和压电性能提高。

图3 不同烧结温度下0.655PMN-0.345PT 压电陶瓷的压电常数d33 和机电耦合系数kp

图4 不同烧结温度下0.655PMN-0.345PT 压电陶瓷的介电常数εr 和介电损耗tanδ

图5 不同烧结温度下0.655PMN-0.345PT 压电陶瓷的电滞回线

3 结论

本文利用前驱体法外加流延成型法制备了0.655PMN-0.345PT 压电陶瓷，根据显微分析结果，样品横截面的晶粒之间结合紧密，无明显分层现象，说明该方法成功制备了0.655PMN-0.345PT 压电陶瓷。烧结温度为1200℃时陶瓷性能最好，此时陶瓷性能最好：压电常数d33=700pC/N，介电常数εr=4.77×103，机电耦合系数kp=0.605，介电损耗tanδ=0.016，剩余极化强度 Pr=30.68μC/cm2。