钛酸铋钙陶瓷的织构化与其稀土掺杂改性研究

论文摘要

钛酸铋钙陶瓷是具有典型铋层状结构的铁电体，具有较高的居里温度、较低的介电常数等性能，在高温、换能等领域具有可观的应用前景和使用价值。但是，铋层状结构的特殊性大大限制了其自身的极化，进而影响到陶瓷材料的压电活性等重要电性能指标，限制了其在更广大领域的应用。但是，作为三维轴向生长速率差异较大，在粉体晶粒生长中容易长成非等轴粒子形态的铋层状结构具有通过某些特殊工艺对其进行晶粒取向化操作的可能，使得晶体结构中的优势晶面同向排列，从而强化优势晶面上的各种性能，在陶瓷的某一特征方向上获得更大的自发极化强度和电学性能的改善，提升其使用价值。本论文使用熔盐合成法，在液相环境中促进了原料粉体的扩散和结晶生长，制备了粉体片状形貌良好，符合织构化工艺操作需求的陶瓷粉体。通过将陶瓷粉体分散在有机载体浆料中并调节浆料有机组分的用量和组成获得了适宜流延操作的假塑性流体。通过非等轴粒子取向固化技术的流延工艺将片状粉体在有机载体浆料中进行平面方向的排列，经过冷却固化、裁切、压片成型和高温烧结后，制得了取向良好的织构化钛酸铋钙陶瓷。在粉体制备及流延取向工艺操作中，发现了熔盐合成保温时间对粉体形貌的重要控制作用；浆料配置调整中发现当有机载体含量为37wt%时的流延浆料具有最佳的流延性质等；本文研究并探讨了片状粉体粒子在流延操作中的运动行为，浅析了流延工艺进行非等轴粒子排列取向的机理，认为织构化陶瓷烧结过程中的取向排列可能主要以团簇形式进行。而在烧结后对陶瓷不同方向的测试结果证实了织构化陶瓷明显的性能各向异性，且垂直于取向方向的平面性能明显优于平行面方向。单纯的织构化改性操作可以获得2倍以上的性能优化。在此基础上进行的稀土离子掺杂Bi位取代的织构化陶瓷结果，进一步提升了优势平面的性能，使得室温下测量的电学性能较纯组分随机取向的钛酸铋钙陶瓷提升达3倍以上。对所选掺杂离子摩尔浓度用量关于陶瓷电性能的影响分析结果发现，掺杂离子的半径与取代位上Bi离子半径的大小就性能影响存在关系，且主要决定于对铋层状结构中容忍因子的影响。对所制备的织构化陶瓷取向度的分析发现，相比掺杂剂等作用因素，对织构度优化作用占决定性、主导作用的是陶瓷的烧结温度，掺杂种类及掺杂剂浓度对织构度的影响较小，相互作用微弱。所获得的稀土掺杂织构化钛酸铋钙陶瓷，室温下最大介电常数可达400，最大压电系数可达32pC/N，最大剩余极化5.2μC/cm~2，最大取向度94%，最大陶瓷致密度87%等。

论文目录

• 中文摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• §1.1 引言
• §1.2 无铅压电陶瓷研究背景与现状
• §1.3 钛酸铋钙基无铅压电陶瓷
• §1.4 熔盐法制备子晶粉体的研究背景及现状
• §1.5 织构化陶瓷的研究背景及现状
• §1.6 陶瓷粉体的掺杂改性
• §1.7 本论文的研究目标和意义
• 第二章 样品的制备与表征
• §2.1 引言
• §2.2 样品的制备
• §2.3 材料宏观性能的表征
• §2.4 材料微观性能的表征
• 第三章 晶粒取向对钛酸铋钙陶瓷性能的影响
• §3.1 引言
• §3.2 取向固化技术制备织构化CBT陶瓷
• §3.3 晶粒取向对CBT陶瓷结构与性能的影响
• §3.4 本章小结
• 第四章 织构化钛酸铋钙陶瓷Bi位的稀土离子掺杂
• §4.1 引言
• 3+、Sc³⁺、Sm³⁺离子织构化CBT陶瓷'>§4.2 掺杂La³⁺、Sc³⁺、Sm³⁺离子织构化CBT陶瓷
• §4.3 本章小结
• 第五章 结论与展望
• §5.1 全文总结
• §5.2 全文展望
• 参考文献
• 致谢
• 附录：攻读硕士学位期间发表的论文