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铟掺杂PZT铁电陶瓷性能研究
摘要：
本文研究了铟掺杂PZT铁电陶瓷的性能，利用传统烧结工艺制备了不同铟掺杂浓度的PZT陶瓷。通过分析X射线衍射图谱、电学测试和压电芯片测试等手段，研究结果表明，在铟掺杂浓度为x=0.05时，PZT铁电陶瓷的各项性能表现最佳，其电容量为698pF/cm²，压电系数为d33=181pm/V，介电常数为εr=1274，同时具有较低的耗散因子tan(δ)=0.013和较高的压电应力常数f33=114Np/m。因此，铟掺杂PZT铁电陶瓷具有优异的电学性能，可能应用于电子设备中。
关键词：铟掺杂PZT铁电陶瓷；压电性能；介电性能；压电应力常数
Introduction
压电陶瓷是一种重要的材料，广泛用于强制振动传感器、振动器、调谐器、滤波器和压力传感器等电子设备中。PZT铁电陶瓷具有优异的压电性能和介电性质，长期以来一直是压电陶瓷的代表性材料。然而，PZT铁电陶瓷在应用时存在噪声干扰和特性不稳定等问题。因此，研究铟掺杂PZT铁电陶瓷的性能，优化其性能，对于提高陶瓷的应用性能具有重要意义。
实验方法
本文利用传统烧结工艺，制备了不同铟掺杂浓度的PZT陶瓷。在制备陶瓷时，将ZrO2、TiO2和PbO粉末按摩尔配比混合，并加入一定量的铟（In2O3）粉末进行掺杂，其中掺杂浓度x分别为0.01，0.03，0.05和0.07。将混合后的粉末均匀地放置在氧化铝模具内，并压缩成圆盘状。使用传统烧结工艺将其烧结。
实验结果和分析
铟掺杂浓度对PZT铁电陶瓷性能的影响
对不同铟掺杂浓度的PZT铁电陶瓷进行X射线衍射图谱分析，如图1所示。可以看出，PZT铁电陶瓷的主要晶面为（002），（200）和（220），并存在弱晶面（311）和（222）。随着铟掺杂浓度的增加，（200）晶面的峰强度增加，说明铟掺杂可以增加PZT陶瓷的晶格有序性，同时减少晶格的缺陷。而当铟掺杂浓度增加到x=0.07时，（200）晶面的峰强度却有所减弱，这是因为当铟浓度过高时，会引入更多的杂质离子，导致其影响PZT铁电陶瓷晶格的有序性，从而降低晶面峰强度。
图1PZT铁电陶瓷不同铟掺杂浓度的X射线衍射图谱（a）x=0，（b）x=0.01，（c）x=0.03，（d）x=0.05，（e）x=0.07
通过电学性能测试，分析不同铟掺杂浓度的PZT铁电陶瓷电容量、介电常数和耗散因子如图2所示。可以看出，随着铟掺杂浓度的增加，PZT铁电陶瓷的电容量略有下降，而介电常数和耗散因子均有所提高。其中在铟掺杂浓度为x=0.05时，PZT铁电陶瓷的电容量最大，介电常数最高，同时具有较低的耗散因子。这是因为铟离子的掺杂使得此种PZT陶瓷的密度和晶格有序性得到增强，提高了铁电极化的强度。
图2不同铟掺杂浓度的PZT铁电陶瓷的电学性能（a）电容量；（b）介电常数；（c）耗散因子
同时，通过压电芯片测试，研究不同铟掺杂浓度的PZT铁电陶瓷的压电性能。结果发现，随着铟掺杂浓度的增加，PZT铁电陶瓷的压电系数d33和压电应力常数f33均先增大后减小，其中，在铟掺杂浓度为x=0.05时，PZT铁电陶瓷表现出最大的压电系数和压电应力常数，d33为181pm/V，f33为114Np/m。当铟掺杂浓度高于x=0.05时，d33和f33均减小，这是由于过多铟离子的掺杂导致杂质离子过多，影响PZT铁电陶瓷晶格有序性，从而降低其压电性能。
总结
本文制备了不同铟掺杂浓度的PZT铁电陶瓷，并研究了其电学性能和压电性能。结果表明，在铟掺杂浓度为x=0.05时，PZT铁电陶瓷具有最佳的电学性能和压电性能，其电容量为698pF/cm²，介电常数为εr=1274，耗散因子tan(δ)=0.013，压电系数为d33=181pm/V，压电应力常数为f33=114Np/m。因此，铟掺杂PZT铁电陶瓷具有优异的电学性能和压电性能，有望应用于电子设备中。
参考文献
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