(Bi0.5Na0.5)0.94Ba0.06TiO3压电陶瓷的制备及物性研究

论文摘要

钛酸铋钠((Bi0.5Na0.5)TiO3,简称BNT)是一类钙钛矿型的A位离子复合取代铁电体,其居里温度为320℃,在室温下具有很强的铁电性（Pr=38 pC/cm2）,被认为是无铅压电陶瓷最有希望的候选材料之一。本论文以BNT基压电陶瓷中压电性能较为出色的(Na0.5Bi0.5)0.94Ba0.06-TiO3（缩写为BNBT6）陶瓷作为研究对象,采用传统的电子陶瓷方法制备了BNBT6压电陶瓷,系统地研究了它的制备工艺和极化工艺,具体分析了不同烧结温度对BNBT6陶瓷微观结构、密度、介电及压电性能的影响,并结合实验结果讨论了BNBT6陶瓷的介电弛豫特性。最后分析了离子掺杂和取代对BNBT6陶瓷物性的影响。主要结论如下:（1）采用TG-DTA,XRD和SEM等分析技术,较好地优化了制备高质量BNBT6压电陶瓷的工艺参数,其预烧温度在850～900℃,保温2小时;其烧结温度在1140～1160℃,保温2小时。在对BNBT6陶瓷极化的过程中,发现极化电场强度和极化温度对陶瓷的压电性能有较大的影响,而极化时间的影响相对较小。适宜的极化电场是3～4kV/mm,极化温度是70～80℃,极化时间是10～20分钟。（2）以BNBT6陶瓷为研究对象,研究了烧结温度对其体密度、相结构、微观形貌、介电和压电性能的影响。发现在1120到1180℃之间烧结的所有陶瓷样品,其晶体结构均为三方、四方相共存。发现最优的烧结温度为1160℃,相应样品有着较高的体密度ρ=5.826g/cm3,很好的电性能:压电系数d33=120pC/N,平面机电耦合系数kp=0.297,相对介电常数εr=615,介电损耗tanδ=0.020。研究了样品从室温到500℃的介电温谱图,讨论了BNBT6材料的介电弛豫特性。（3）CeO2（0.0～1.0 wt%）掺杂不会改变BNBT6材料的钙钛矿结构。但掺杂后,引起了晶粒尺寸的变化。适量的CeO2掺杂,可提高BNBT6陶瓷的压电与介电常数,降低其介电损耗。当CeO2掺杂量为0.4wt%时,陶瓷的压电常数d33达到128pC/N,平面机电耦合系数kp为28.3%,相对介电常数εr为891,介电损耗tanδ为0.0185。掺杂CeO2后BNBT6陶瓷仍然具有弛豫铁电体性质,但铁电相向反铁电相转变温度死降低。分析了CeO2掺杂后,对BNBT6物性的影响机理。（4）研究了不同Li+取代A位Na+后,(Bi0.94(Na0.94-xLix))0.5TiO3陶瓷体系的物性变化。x在（0.01～0.11）之间变化,不会改变BNBT6陶瓷三方-四方共存的晶体结构,不会改变BNBT6陶瓷的弛豫特性,但是随着取代量x的增加,铁电相向反铁电相转变温度Td降低,介电和压电性能有变化。当x=0.05时,陶瓷的压电常数d33为128pC/N,平面机电耦合系数kp为0.30,相对介电常数εr为810。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 压电和铁电材料概述
• 1.1.1 压电材料及其特点
• 1.1.2 铁电材料及其特性
• 1.2 无铅压电陶瓷的研究意义及研究现状
• 1.2.1 无铅压电陶瓷的研究意义
• 1.2.2 无铅压电陶瓷的种类及特点
• 1.3 无铅压电陶瓷的发展特点
• 1.4 钛酸铋钠基无铅压电陶瓷的研究现状
• 1.5 本研究的总体思路和研究内容
• 第2章 BNT基压电陶瓷的制备及测试方法
• 2.1 BNT基陶瓷样品的制备工艺流程
• 2.1.1 原料的选择和处理
• 2.1.2 配料
• 2.1.3 混合
• 2.1.4 预烧
• 2.1.5 细磨
• 2.1.6 成型
• 2.1.7 排胶
• 2.1.8 烧成
• 2.1.9 抛光、镀银电极和极化
• 2.2 材料的结构分析与性能参数测试
• 2.2.1 材料的结构分析方法
• 2.2.2 材料的主要性能参数测试
• 2.3 陶瓷的极化工艺对材料压电性能的影响
• 2.3.1 极化温度对压电性能的影响
• 2.3.2 极化电场对压电性能的影响
• 2.3.3 极化时间对压电性能的影响
• 2.4 本章小结
• 第3章 烧结温度对BNBT6压电陶瓷微观结构和电性能的影响
• 3.1 引言
• 3.2 不同烧结温度下BNBT6陶瓷样品的晶体结构
• 3.3 不同烧结温度下BNBT6陶瓷样品的体密度
• 3.4 不同烧结温度下BNBT6陶瓷样品的表面形貌
• 3.5 不同烧结温度下BNBT6陶瓷样品的电性能
• 3.6 不同烧结温度下BNBT6陶瓷样品的介电温谱
• 3.7 BNBT6陶瓷样品的介电弛豫
• 3.8 本章小结
• 2掺杂对BNBT6压电陶瓷微观结构和电性能的影响'>第4章 CeO₂掺杂对BNBT6压电陶瓷微观结构和电性能的影响
• 4.1 引言
• 2掺杂对BNBT6陶瓷样品晶体结构的影响'>4.2 CeO₂掺杂对BNBT6陶瓷样品晶体结构的影响
• 2掺杂对BNBT6陶瓷样品表面形貌的影响'>4.3 CeO₂掺杂对BNBT6陶瓷样品表面形貌的影响
• 2掺杂对BNBT6陶瓷样品介电压电性能的影响'>4.4 CeO₂掺杂对BNBT6陶瓷样品介电压电性能的影响
• 2掺杂对BNBT6陶瓷样品体密度的影响'>4.5 CeO₂掺杂对BNBT6陶瓷样品体密度的影响
• 2掺杂对BNBT6陶瓷样品介电弛豫的影响'>4.6 CeO₂掺杂对BNBT6陶瓷样品介电弛豫的影响
• 4.7 本章小结
• 第5章 A位Li取代对BNBT6压电陶瓷微观结构和电性能的影响
• 5.1 引言
• 5.2 A位Li取代对BNBT6陶瓷样品晶体结构的影响
• 5.3 A位Li取代对BNBT6陶瓷样品体密度的影响
• 5.4 A位Li取代对BNBT6陶瓷样品表面形貌的影响
• 5.5 A位Li取代对BNBT6陶瓷样品介电压电性能的影响
• 5.6 A位Li取代对BNBT6陶瓷样品介电弛豫的影响
• 5.7 本章小结
• 第6章 结论与展望
• 6.1 结论
• 6.2 展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读学位期间的研究成果