超声电机用BNT基无铅压电陶瓷的研究

论文摘要

压电陶瓷是实现机械能与电能相互转化和耦合的一类功能材料,它是超声电机的重要组成部分,目前超声电机所使用的压电陶瓷均为含铅压电陶瓷,随着环境协调性发展的需要,开发新型无铅压电陶瓷取代现有的含铅压电陶瓷材料,成为一项紧迫且具有重大现实意义的课题。本论文研究了用固相反应法和柠檬酸盐法制备Bi1/2Na1/2TiO3（简写为BNT ）基无铅压电陶瓷的工艺。分别用这两种方法制备了（Bi0.972Na0.852K0.12-xLix）0.5TiO3-0.028BaTiO3（简写为BNT-BKT-BT+xLi）系列无铅压电陶瓷,运用X射线衍射、扫描电子显微分析等分析测试手段对掺杂陶瓷微观结构和形貌及其变化规律进行表征与研究,运用d33测试仪、阻抗分析仪、铁电参数测试仪等测量系统对样品的介电、压电、铁电和机械性能进行了测量和分析,并讨论了性能和结构之间的相互关系。得到了性能优良的陶瓷配方BNT-BKT-BT+0.03Li。同时,通过对比得知柠檬酸盐法制得的陶瓷性能要较为优越。最后,选取性能较好的BNT-BKT-BT+0.03Li组分的陶瓷应用到南京航空航天大学精密驱动研究所研制的二自由度超声电机上,电机运行正常,电机性能尚有很大提高空间。实践证明,经过不断完善,无铅压电材料可以在某些领域取代含铅压电材料,减少对人们健康的危害和对环境的污染。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 压电材料及其分类
• 1.1.1 压电效应与压电材料
• 1.1.2 压电材料的分类
• 1.1.3 压电陶瓷的主要晶体结构
• 1.2 压电陶瓷及其在超声电机上的应用
• 1.2.1 压电陶瓷具有广泛的应用领域
• 1.2.2 压电陶瓷在超声电机上的应用
• 1.3 无铅压电陶瓷研究现状
• 1.3.1 无铅压电陶瓷的研究意义
• 1.3.2 常见的无铅压电陶瓷体系
• 1.3.3 无铅压电陶瓷制备技术
• 1.3.4 无铅压电陶瓷研究现状及应用前景
• 1.4 BNT 基无铅压电陶瓷的研究进展
• 1.4.1 钛酸铋钠陶瓷的结构和性能
• 1.4.2 压电陶瓷掺杂改性机理
• 1.4.3 BNT 陶瓷制备方法研究现状
• 1.5 本论文选题依据及主要内容
• 1.5.1 选题依据
• 1.5.2 本论文的主要内容
• 第二章 固相反应法制备BNT 基陶瓷工艺和测试方法
• 2.1 固相反应法制备压电陶瓷工艺
• 2.1.1 固相反应法制备样品的工艺流程
• 2.1.2 原料选择
• 2.1.3 混料和粉碎
• 2.1.4 预烧
• 2.1.5 造粒
• 2.1.6 成型
• 2.1.7 排塑
• 2.1.7.1 排塑的作用和目的
• 2.1.7.2 排塑过程中的物理化学变化
• 2.1.7.3 影响排塑过程的因素
• 2.1.8 烧结
• 2.1.9 上电极
• 2.1.10 极化
• 2.2 测试与表征方法
• 2.2.1 压电常数d33 的测量
• 2.2.2 XRD 分析
• 2.2.3 扫描电子显微镜（SEM）形貌观察
• 2.2.4 机电耦合系数kp 的测量
• 2.2.5 介电常数的测量
• 2.2.6 机械品质因数的测量
• 2.2.7 电滞回线的测量
• 2.3 小结
• 第三章 固相反应法制备BNT-BKT-BT 陶瓷及其性质研究
• 3.1 预烧温度的确定
• 3.2 烧结工艺制度的研究
• 3.2.1 烧结升温速率对陶瓷性能的影响
• 3.2.2 烧结温度的选择及其对性能的影响
• 3.3 极化条件的研究
• 3.3.1 极化电场
• 3.3.2 极化时间
• 3.3.3 极化温度
• 3.4 小结
• 第四章 固相反应法制备BNT-BKT-BT+xLi 陶瓷及其性质研究
• 4.1 样品的制备
• 4.2 样品的XRD 结构分析
• 4.3 样品的SEM 形貌分析
• 4.4 样品的P-E 曲线
• 4.5 样品的压电与介电性能
• 4.6 小结
• 第五章 柠檬酸盐法制备BNT-BKT-BT+xLi 陶瓷及其性质研究
• 5.1 柠檬酸盐法原理
• 5.2 BNT-BKT-BT+xLi 体系粉体的合成过程
• 5.2.1 溶胶-凝胶的制备
• 5.2.2 干凝胶热处理温度的确定
• 5.2.3 BNT-BKT-BT+xLi 体系粉体制备流程
• 5.3 BNT-BKT-BT+xLi 体系陶瓷的制备
• 5.3.1 烧结升温速率对陶瓷性能的影响
• 5.3.1.1 SEM 微观形貌分析
• 5.3.1.2 P-E 曲线分析
• 5.3.2 烧结温度对陶瓷性能的影响
• 5.4 BNT-BKT-BT+xLi 体系陶瓷性质研究
• 5.4.1 样品的SEM 形貌分析
• 5.4.2 样品的压电与介电性能
• 5.5 两种不同制备方法的比较
• 5.5.1 粉体比较
• 5.5.2 陶瓷微观形貌比较
• 5.5.3 压电常数对比
• 5.5.4 机电耦合系数对比
• 5.6 小结
• 第六章 BNT-BKT-BT+xLi 压电陶瓷在超声电机上的应用
• 6.1 宝塔形二自由度直线超声电机
• 6.1.1 定子结构
• 6.1.2 模态分析
• 6.1.3 电机设计
• 6.2 宝塔形二自由度超声电机上的压电陶瓷
• 6.3 电机性能测试
• 6.3.1 扫频测试
• 6.3.2 定子定频测试
• 6.3.3 超声电机性能测试
• 6.4 小结
• 第七章 结论与展望
• 7.1 结论
• 7.2 展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读硕士学位期间发表的主要论文