铋层状结构无铅压电陶瓷的制备技术与性能研究

论文摘要

随着人类环保意识的增强,传统铅基陶瓷介质材料因其在生产和使用过程中给环境和人类健康带来的巨大危害,已不能满足人们的要求,寻找一种新型、环保、高温和良好性能的无铅压电陶瓷成为各国材料研究人员的共同目标。铋层状结构无铅压电陶瓷因为具有居里温度高、介电损耗小、低老化率和高电阻率,被认为是无铅压电陶瓷最有希望的候选材料之一。但单一铋层状材料具有难以实用化的缺点,因此本文采用共生和固溶形成多元混合体系的两种方法改善材料的铁电和压电性能,系统研究了材料的制备工艺、结构特性与介电性能、铁电及压电性能的关系,对制备高性能且实用性的铁电材料具有一定的指导意义。本论文采用传统陶瓷制备工艺,成功制备了共生结构层状铋陶瓷MBi2Nb2O9-Bi4Ti3 O12 （M=Ca,Sr,Pb,Ba;简称MBN-BTO）和Bi4Ti3O12-MBi4Ti4O15（M=Ca,Sr,Pb,Ba;简称BTO-MBT）,其中除样品CBN-BTO没有生成预期的共生结构,其它组分均生成了2-3层共生和3-4层共生的单相结构,且无杂相生成。研究发现这两组共生结构的介电和铁电性能与A位离子半径的大小关系密切,当A位离子为Sr2+、Pb2+、Ba2+时,随着半径的增大,MBN-BTO和BTO-MBT的铁电性能依次变差。其中,A位离子为Sr2+时都能得到高居里温度,且具有较好铁电性能的无铅压电陶瓷。2-3层共生结构中最不容易被极化的是BaBi2Nb2O9-Bi4Ti3O12陶瓷,将La3+离子引入到其A位改变其性能,随着La3+含量的增加,晶粒由片状逐渐变为棒柱状,介电常数增大,居里温度提高。首次制备的（SrBi2Nb2O9）x（Na0.5Bi2.5Nb2O9）1-x（简称SBNx-NBN）体系中,随着SBN含量的增加,样品均形成了稳定的铋层状结构,居里温度（TC）减小,铁电-顺电相变弥散减弱。当x=0.6时,TC>650℃,剩余极化强度（2Pr）、矫顽场（Ec）和压电常数d33达最大值:2Pr=18.93μC/cm2,Ec=86.79kV/cm,d33（120℃）=20pC/N,均大于两单体系,明显提高了材料的铁电和压电性能。进一步研究了SBN和NBN两个预合成粉料的共混工艺对其性能的影响。结果表明:共混工序的差异对烧结体的物相结构没有产生明显影响,但对铁电性能产生了不容忽视的影响,两组分预合成粉造粒前混合比造粒后混合制得样品的居里温度高,弥散特性弱且易于极化。选用造粒前将两体系预合成粉按比例共混的工艺制备（SrBi2Ta2O9）x（BaBi2Nb2O9）1-x（简称SBTx-BBN）陶瓷,样品均形成了铋层状结构相。随着SBT含量的增加,晶粒由粒状逐渐长大变成层片状。SBTx-BBN在整个测量温度范围内有两个介电峰,经分析是典型的弛豫峰,SBTx-BBN是弛豫铁电体。将铋层状结构与钙钛矿结构固溶制得（K0.5Na0.5NbO3）x（SrBi2Nb2O9）1-x（简称KNNx-SBN）铋层状复结构陶瓷。当x≤0.1时晶体结构以SBN相为主;当x>0.1时出现了KxNaySr1-x-yNbO3的钙钛矿结构相。随着KNN含量的增加,陶瓷样品的居里温度从451℃增加到495℃,2Pr和d33均减小。当x=0.05时,KNNx-SBN的铁电性能和压电性能达到最好,2Pr=19.44μC/cm2,Ec=65.29kV/cm,d33=13pC/N,提高了材料的铁电和压电性能。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 无铅压电陶瓷的研究背景
• 1.2 无铅压电陶瓷的发展现状
• 1.3 铋层状结构无铅压电陶瓷的研究现状
• 1.3.1 铋层状结构无铅压电陶瓷的结构
• 1.3.2 铋层状结构无铅压电陶瓷的分类与应用
• 1.3.3 铋层状结构无铅压电陶瓷的研究热点
• 1.4 本论文的研究意义及内容
• 1.4.1 本论文的研究意义
• 1.4.2 本论文的研究内容
• 2 铋层状无铅压电陶瓷的制备工艺与研究方法
• 2.1 引言
• 2.2 铋层状无铅压电陶瓷的制备工艺
• 2.2.1 原料的选取
• 2.2.2 共生铋层状结构陶瓷的制备工艺
• 2.2.3 铋层状复结构陶瓷的制备工艺
• 2.3 铋层状无铅压电陶瓷的结构与性能测试方法
• 2.3.1 粒度测试
• 2.3.2 相结构表征
• 2.3.3 微观形貌表征
• 2.3.4 介电性能测试与居里温度
• 2.3.5 铁电性能测试
• 33 的测量'>2.3.6 压电系数d₃₃的测量
• 3 共生铋层状结构无铅压电陶瓷的结构与性能改进研究
• 3.1 引言
• 3.2 MBN-BIT 共生陶瓷的结构与性能研究
• 3.2.1 MBN-BIT 共生陶瓷的粒度分析
• 3.2.2 MBN-BIT 共生陶瓷的组成与晶体结构
• 3.2.3 MBN-BIT 共生陶瓷的显微形貌
• 3.2.4 MBN-BIT 共生陶瓷的介电性能
• 3.2.5 MBN-BIT 共生陶瓷的铁电性能
• 3+的掺杂对BBN-BIT 铋层状结构陶瓷的性能优化'>3.3 LA³⁺的掺杂对BBN-BIT 铋层状结构陶瓷的性能优化
• 3.3.1 BBN-BIT-xLa 共生陶瓷的组成与晶体结构
• 3.3.2 BBN-BIT-xLa 共生陶瓷的显微形貌
• 3.3.3 BBN-BIT-xLa 共生陶瓷的介电性能及居里温度
• 3.3.4 BBN-BIT-xLa 共生陶瓷的铁电性能
• 3.4 BIT-MBT 共生陶瓷的结构与性能研究
• 3.4.1 BIT-MBT 共生陶瓷的粒度分析
• 3.4.2 BIT-MBT 共生陶瓷的组成与晶体结构
• 3.4.3 BIT-MBT 共生陶瓷的显微形貌
• 3.4.4 BIT-MBT 共生陶瓷的介电性能及居里温度
• 3.4.5 BIT-MBT 共生陶瓷的铁电性能
• 3.5 M 离子的特性对MBN-BIT 和BIT-MBT 共生铋层状结构性能的影响
• 3.6 本章小结
• 4 铋层状复结构陶瓷的工艺制备与性能研究
• 4.1 引言
• 4.2 SBNX-NBN 铋层状复结构陶瓷的工艺优化与性能研究
• 4.2.1 SBNx-NBN 铋层状复结构陶瓷的组成与晶体结构
• 4.2.2 SBNx-NBN 铋层状复结构陶瓷的显微形貌
• 4.2.3 SBNx-NBN 铋层状复结构陶瓷的介电性能及居里温度
• 4.2.4 SBNx-NBN 铋层状复结构陶瓷的铁电性能
• 4.2.5 SBNx-NBN 铋层状复结构陶瓷的压电性能
• 4.3 SBTX-BBN 铋层状复结构陶瓷的弛豫特性研究
• 4.3.1 SBTx-BBN 铋层状复结构陶瓷的组成与晶体结构
• 4.3.2 SBTx-BBN 铋层状复结构陶瓷的显微结构
• 4.3.3 SBTx-BBN 铋层状复结构陶瓷的介电性能及弥散相变
• 4.3.4 SBTx-BBN 铋层状复结构陶瓷的铁电性能
• 4.4 本章小结
• 5 铋层状与钙钛矿复结构陶瓷的结构与性能研究
• 5.1 引言
• 5.2 KNNX-SBN 体系陶瓷的结构分析
• 5.2.1 KNNx-SBN 体系陶瓷的组成与晶体结构
• 5.2.2 KNNx-SBN 体系陶瓷的显微形貌
• 5.2.3 KNNx-SBN 体系陶瓷的能谱
• 5.3 KNNX-SBN 体系陶瓷的介电性能及居里温度
• 5.4 KNNX-SBN 体系陶瓷的铁电性能
• 5.5 KNNX-SBN 体系陶瓷的压电性能
• 5.6 本章小结
• 6 结论
• 致谢
• 参考文献
• 附录