流延成型法制备0.655Pb（Mg1/3Nb2/3）O3—0.345PbTiO3压电陶瓷及其性能研究
摘要：本文首先利用前驱体法制备具有纯铌铁矿相结构MgNb2O6前驱体，随后采用流延成型法制备纯钙钛矿相的0.655Pb（Mg1/3Nb2/3）O3—0.345PbTiO3（0.655PMN—0.345PT）压电陶瓷。通过X射线衍射仪和扫描电子显微镜等，研究了烧结温度对压电陶瓷的物理性能，显微组织和电性能的影响。结果表明，前驱体法可以有效抑制焦绿石相的形成;烧结温度为1200℃时所制得陶瓷的综合性能最好，其压电常数d33为700pC/N，机电耦合系数kp为0.605，介电常数εr为4.77×103，介电损耗tanδ为0.016，剩余极化强度Pr为30.68μC/cm2。与传统的固相烧结法制备的陶瓷比较，流延成型法所制得的压电陶瓷性能更优。
关键词：PMN-PT;流延成型;前驱体法;微观结构;物理性能;电性能
PMN-PT压电陶瓷是近年来广泛研究和迅速发展的一种新型功能材料，它具有优异的压电、介电和铁电性能，同时具备相对低的烧结温度、弥散相变和频率色散，被认为是新一代多层陶瓷电容器的最佳候选材料。由于它具有较大的电致伸缩效应及较小的电致应变滞后，其回零性和重现性好，因此在微位移器、制动器、机敏材料与器件等方面具有广阔的应用前景。另外，随着铁电存储技术、微光电子机械和MEMS集成电子学的发展，压电薄膜的制备和应用也成为当前的研究热点。
制备PMN-PT压电陶瓷的工艺方法有很多，常见的工艺如固相烧结法，半化学法，熔盐法及氧化物混合法等。但是在制备PMN基陶瓷材料粉体时，遇到一个严重的问题（采用一般的工艺很难获得纯钙钛矿相的粉体），
总是存在着一定的焦绿石相，而焦绿石相的存在会严重恶化压电陶瓷材料的介电性能。随着压电陶瓷在半导体集成、航空航天及生物医学等高精密领域的应用，这对陶瓷基体的物理性能及电性能提出了更高的要求。因此近年来一些新工艺新方法被不断的应用在压电陶瓷的制备上。
流延成型（Tape-casting）是薄片陶瓷材料的一种重要的成型工艺，其过程是在陶瓷粉料中加入溶剂、分散剂、黏结剂、增塑剂等成分，得到分散均匀的稳定浆料，在流延机上制得要求厚度薄膜的一种成型方法。其设备简单，工艺稳定，可连续操作，便于自动化生产，制得坯体性能均一，是生产多层电容器和多层陶瓷基片的重要技术，近年来已经广泛应用于生产片式电子元器件及薄膜电路基片等电子陶瓷行业。随着电子工业的发展，电子元器件正向轻薄短小的方向迈进，陶瓷的制备也由块体向薄膜状发展，在这种趋势的推动下，流延成型法的优势也日益凸显。
本文采用前驱体法外加流延成型法制备高纯钙钛矿相0.655Pb（Mg1/3Nb2/3）O3-0.345PbTiO3压电陶瓷。通过对样品物相、显微组织及电性能的测试，分析烧结温度对样品性能的影响，从而确定最佳的烧结温度，并与传统的固相烧结法比较，验证了流延成型法制备的陶瓷性能更优。
一、实验
采用流延成型法制备0.655PMN-0.345PT压电陶瓷，必要的原材料包括PbO（国药，化学纯，纯度为99%），
Nb2O5（国药，化学纯，纯度为99.5%），MgO（国药，分析纯，纯度为99%），TiO2（日本产，纯度为99.9%），
四种粉料按摩尔比4：1：1：1配比。首先利用前驱体法合成MgNb2O6前驱体，其分别在1020℃，1050℃，1080 ℃温度下合成，保温4h;然后采用行星式球磨机，控制球磨时间8—12h，球磨转速在200—300r/min，混合均匀后预烧得陶瓷粉体，预烧温度在925℃，时间为2—5h;最后进行流延薄片的制备，具体过程为：二次球磨法配置浆料，第一次球磨是在陶瓷浆料中加入混合溶剂（30%乙醇和70%丁酮（体积比））和分散剂（玉米油），球磨8—12h，球磨转速200—300r/min;第二次球磨过程加入黏结剂（聚乙烯醇缩丁醛（PVB））和增塑剂（邻苯二甲酸二丁酯（DBP）），球磨8—12h，球磨转速200—300r/min;利用合成的浆料在流延机上流延成型，经50℃烘干12—24h制得流延薄片;排胶温度600—800℃，时间2—5h;之后进行烧结，由室温开始以100℃/h加热至600℃，并在300℃时保温1h;之后以50℃/h升温至1150—1250℃保温2h;最后以20℃/h从最高温度降至600℃，然后再自然降温至室温。烧银参数根据银浆参数要求而定;极化：温度50—70℃，30 min，极化电压2—3kV/mm。
利用X射线衍射仪（XRD，Bruker D8 Advance型，德国，CuKα衍射，电压40kV，电流40mA）测定和分析试样的物相组成;利用扫描电子显微镜（SEM，JEOL JSM-6300，日本，加速电压为20kV）对陶瓷微观形貌进行观察分析;利用准静态测试仪（ZJ-3AN，中国科学院声学研究所）测试压电常数;利用精密阻抗分析仪（Agilent HP4294A，美国）测试机电耦合系数、介电常数;利用铁电分析仪（TF Analyzer 2000，德国）测量电滞回线。
本实验中采用二次合成法制备铌镁酸铅PMN，其反应机理如下
MgO+Nb2O5→MgNb2O6（1）
MgNb2O6+3PbO→3Pb（Mg1/3Nb2/3）O3 （2）
实验中将MgO设置为过量0.3%，因为MgO的微过量可以促使上述反应从左向右进行，最终促进PMN的形成。为避免焦绿石相的生成，首先合成MgNb2O6前驱体。分别在1020℃，1050℃，1080℃三个温度下合成MgNb2O6，
并对合成的粉体进行XRD测试。三个温度下合成的MgNb2O6均具有纯铌铁矿相结构。本实验选择1050℃作为前驱体的合成温度。
（一）显微结构分析
通过扫描电子显微镜（SEM）观察了不同烧结温度下样品的微观形貌。结果表明晶粒之间結合紧密，横截面并无明显的分层现象，说明利用流延成型制备的压电陶瓷晶粒生长状况良好。随着烧结温度的升高，陶瓷晶粒呈不断长大趋势。