无铅压电厚膜制备工艺研究

论文摘要

众所周知,传统的压电材料（锆钛酸铅）含有大量的铅,在制备和使用过程中,造成了环境污染和对人体的伤害。为了保护我们的环境免受铅污染,开发新的无铅压电材料来替代传统压电材料是压电材料发展的必然趋势。在众多的无铅压电材料体系中Na0.5Bi0.5TiO3-K0.5Bi0.5TiO3（NBT-KBT）具有很好的压电特性。同时,随着电子元器件向微型化、集成化、多功能化发展,新型器件需要采用工作电压低、界面反应小的压电厚膜才能实现。在现有的各种压电厚膜制备方法中,丝网印刷法和流延法是制备压电厚膜较为成功的方法。本论文分别采用水基凝胶流延成型和丝网印刷法对NBT-KBT压电厚膜材料进行了研究。采用溶胶-凝胶法制备了NBT-KBT纳米粉体。当溶胶陈化时间为36 h,预烧温度为650℃,保温2 h,得到了晶粒分布均匀、晶粒平均尺寸为200 nm的NBT-KBT粉体。研究了溶胶-凝胶法的反应历程,讨论了升温速率、热处理温度、陈化时间对溶胶-凝胶法制备NBT-KBT粉体粒径的影响。分别采用固相法制备的粉体和溶胶-凝胶法制备的粉体,利用凝胶流延成型工艺制备了300μm厚的NBT-KBT厚膜。研究发现,采用溶胶-凝胶法制备的粉体可以降低烧结温度并提高了压电性能。厚膜在1120℃烧结2 h时,εr=919,tanδ=4.9%（1kHz,25℃）,d33=102 pC/N,kt =20%,Pr=24μC/cm2,Ec=56 kV/cm2。采用印刷法制备了Mn掺杂NBT-KBT厚膜,少量的锰掺杂引起了NBT-KBT从三方相向四方相转变,研究了锰掺杂对NBT-KBT厚膜介电、压电、铁电性能的影响,在锰掺杂量为1.0mol%时,最佳的性能为:εr=735,tanδ=2.2%（10kHz,25℃）,d33=88 pC/N,Pr=28μC/cm2,Ec=86 kV/cm2。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 无铅压电材料发展现状
• 1.2 压电厚膜制备方法研究现状
• 1.3 本研究主要研究内容
• 2 实验方案和性能测试
• 2.1 NBT-KBT 粉体制备
• 2.2 NBT-KBT 无铅压电厚膜制备
• 2.3 性能测试
• 3 凝胶流延法制备NBT-KBT 厚膜及性能表征
• 3.1 溶胶－凝胶法制备NBT-KBT 粉体及性能表征
• 3.2 水基凝胶流延成型的反应机理
• 3.3 水基凝胶流延制备NBT-KBT 厚膜的微观结构
• 3.4 水基凝胶流延制备NBT-KBT 厚膜的电学性能表征
• 3.5 小结
• 4 印刷法制备掺锰NBT-KBT 厚膜及性能表征
• 4.1 NBT-KBT 厚膜浆料性能研究
• 4.2 NBT-KBT 厚膜浆料性能对厚膜微观结构的影响
• 4.3 Mn 掺杂NBT-KBT 厚膜的微观结构
• 4.4 Mn 掺杂NBT-KBT 厚膜的电学性能表征
• 4.5 小结
• 5 结论与展望
• 5.1 结论
• 5.2 展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录 攻读学位期间发表论文目录