原料是製備壓電陶瓷的基礎。對於PZT來說它的主要原料為Pb3O4、ZrO2、TiO2。選擇原料一般應注意其化學組成和物理狀態。
對純度的要求應適度。高純原料,價格昂貴,燒結溫度高,溫區窄。純度稍低的原料,其中有的雜質可起礦化和助熔的作用,反而使燒結溫度降低,溫區增寬。但過低純度原料雜質較多,不宜採用。
1)雜質的類型
①有害雜質 對材料絕緣、介電性等影響極大的雜質,特別是異價離子,如B、C、P、S、Al等,越少越好。
②有利雜質 與材料A位(Pb2+)、B位(Zr4+,Ti4+)離子電價相同、半徑接近,能形成置換固溶的雜質。如Ca2+、Sr2+、Ba2+、Mg2+、Sn4+、Hf4+等離子,一般在0.2~0.5%範圍內,壞的影響不大,甚至有利。
2)摻雜的改性
在PZT配方中,比例大的原料Pb3O4、ZrO2、TiO2分別佔重量比的60%、20%和18%左右,若雜質多,引入雜質總量也多。因此,要求雜質總含量均不超過2%,即要求純度均在98%以上。
為了滿足不同的使用目的,我們需要具有各種性能的PZT壓電陶瓷,為此我們可以添加不同的離子來取代A位的Pb2+離子或B位的Zr4+,Ti4+離子,從而改進材料的性能。
等價取代:是指用Ca2+、Sr2+、Mg2+ 等半徑較 Pb2+ 離子小的二價離子取代Pb2+ 離子,結果使PZT陶瓷的介電常數ε增大↑,機電耦合係數KP增大↑,壓電常數d增大↑ ,從而提高PZT瓷的壓電性能。
易價取代:軟性取代改性、硬性取代改性、其他。
軟性取代改性:是指在原料中加入這些添加物後能使矯頑場強EC 減小↓ ,極化容易,因而在電場或應力作用下,材料性質變「軟」。(燒成後的瓷體成黃色)
(a)La3+ 、Bi3+、Sb3+ 等取代A位Pb+2離子(施主摻雜);
(b)Nb5+、Ta5+、Sb5+、W6+等取代B位的Zr4+、Ti4+離子(施主摻雜)。
經軟性取代改性後的PZT瓷性能有如下變化:矯頑場強EC 減小↓,機械品質因數Qm減小↓;介電常數ε增加↑,介電損耗tanδ增加↑,機電耦合係數KP增加↑, 抗老化性增加↑ ,絕緣電阻率ρ增加↑。
硬性取代改性:是指加入這些添加物後能使矯頑場強EC 增加↑,極化變難,因而在電場或應力作用下,材料性質變「硬」。(燒成後的瓷體成黑色)
(a) K+,Na+等取代A位Pb+2離子(受主摻雜);
(b) Fe2+、Co2+、Mn2+(或Fe3+、Co3+、Mn3+)、Ni2+、Mg2+、Al3+、Cr3+等取代B位的Zr4+、Ti4+離子(受主摻雜)。
經軟性取代改性後的PZT瓷性能有如下變化:矯頑場強EC增加↑,機械品質因數Qm增加↑;介電常數ε減小↓,介電損耗tanδ減小↓,機電耦合係數KP減小↓, 抗老化性降低↓ ,絕緣電阻率ρ減小↓ 。