钛酸铋钠基无铅压电陶瓷及其织构技术的研究

论文摘要

钛酸铋钠基无铅压电陶瓷被认为是最有希望取代铅基的压电陶瓷材料，然而到目前为止，通过掺杂改性的方法来改善无铅压电材料的压电性能，或者开发新的材料体系的方法都是有限的。压电材料的物理特性决定了其单晶体的压电性能是最好的，然而制备大尺寸单晶困难且成本高，限制了其实用化的发展。利用晶粒择优取向制备织构化陶瓷，使其结构接近单晶，压电性能接近单晶材料的性能，成为提高无铅压电陶瓷性能的新途径。因此，本文围绕着织构钛酸铋钠基无铅压电陶瓷开展研究，具有重大的理论意义和现实的应用价值。论文首先对无铅压电陶瓷的研究和发展状况进行了综合评述。然后用传统固相合成法制备NBT基体系陶瓷粉料，确定合适的工艺参数，在该体系x=0．06-0．08组分附近的准同型相界（简称MPB）范围内，获得性能优良的NBT基陶瓷。例如，0．94Na0．5Bi0．5TiO3-0．06BaTiO3（简称NBBT6）陶瓷的平面机电耦合系数kp达到极大值为0．31，0．92Na0．5Bi0．5TiO3-0．08BaTiO3（简称NBBT8）陶瓷的压电常数d33达到180pC／N。系统分析了NBT基陶瓷结构特性，并探讨了NBT基陶瓷的介电驰豫特性、相变特性以及材料的铁电性质及其对材料压电性能的影响与作用规律。在固相合成法的基础上，确定性能优良的NBBT6压电材料体系为研究对象，以两步熔盐法制备片状SrTiO3作为晶种，采用流延工艺进行反应模板晶粒织构化技术，制备性能介于单晶和多晶之间的高性能Na0．5Bi0．5TiO3-BaTiO3-SrTiO3（简称NBT-BT-ST）块体陶瓷材料。研究表明，用两步熔盐法在1200℃下保温2h合成出长度10～20μm，厚度2-4μm的片状晶。随着浓度的增加，织构化程度增大，陶瓷的电性能得到很大的改善。当加入5mol％SrTiO3模板为最佳值，其压电系数d33=134pC／N，机电耦合系数kt=43％，介电常数ε33T／ε0=785，介电损耗tgδ=3．4％，取向度f=0．64，陶瓷相对密度为93％，但是超过5mol％SrTiO3模板，性能有明显的恶化作用。采用一种新型的织构方法，运用脉冲强磁场对生坯中的晶粒进行重排，结合凝胶注模成型技术织构NBT基陶瓷。在NBBT6陶瓷浆料悬浮液中加入0．5wt％聚甲基丙烯酸铵（PMAA-NH4）的分散剂，pH调节到9．2，可以获得高固相含量（50vol％）、低粘度（<1Pa·s）稳定的浆料悬浮液。在5T脉冲磁场作用下，取向后的生坯取向度f=0．6，但是由于NBBT6材料体系自身结构的限制，使得烧结后的陶瓷取向度降低f=0．36。织构后的陶瓷压电及介电性能大幅度改善，d33=151pC／N，kp=43％，ε33T/ε0=763，tgδ=1．7％。为了进一步加大陶瓷织构化程度，采用片状SrTiO3反应模板晶粒和磁性BiFeO3晶粒在脉冲强磁场作用下诱导晶粒取向的方法，分别制备了NBT-BT-ST陶瓷和NBT-BT-BiFeO3陶瓷。SrTiO3模板织构的NBT-BT-ST陶瓷，取向度f达0．70以上，其介电性能呈现出明显的各向异性，在居里温度附近，垂直磁场方向上的介电常数将近为平行于磁场方向上的介电常数的4倍，其性能如下：ε33T／ε0=900，tgδ=3．9％，d33=123pC／N。磁性粒子BiFeO3诱导NBBT6的陶瓷，ε33T／ε0=1200，tgδ=5．3％，d33=108pC／N，相对密度96％。最后，我们对强磁场晶粒取向进行了理论分析，并提出了取向的动力学模型，解析了强磁场对晶粒取向的影响规律。晶粒取向时间与介质粘度成正比，与磁化率差成反比，并随着晶粒的长径比而迅速增加，提高磁场强度可以显著缩短晶粒的取向时间，并且晶粒更容易发生取向。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 压电材料的概述
• 1.3 无铅压电陶瓷的研究概况
• 1.4 晶粒定向织构化陶瓷
• 1.5 强磁场在晶粒取向织构中的应用
• 1.6 研究意义及研究内容
• 2 钛酸铋钠基无铅压电陶瓷材料的研制
• 2.1 前言
• 2.2 实验方案
• 2.3 钛酸铋钠体系的结构分析
• 2.4 （1-x）NBT-xBT体系陶瓷的显微结构
• 2.5 （1-x）NBT-xBT体系陶瓷的铁电性能
• 2.6 （1-x）NBT-xBT体系陶瓷的介电性能
• 2.7 （1-x）NBT-xBT体系陶瓷的压电性能
• 2.8 本章小结
• 0.5Bi_0.5TiO₃-BaTiO₃-SrTiO₃陶瓷'>3 模板诱导晶粒取向织构Na_0.5Bi_0.5TiO₃-BaTiO₃-SrTiO₃陶瓷
• 3.1 前言
• 3.2 织构的基本概念
• 3.3 实验工艺过程
• 3.4 熔盐法合成模板原理
• 3模板的工艺参数的影响'>3.5 熔盐合成SrTiO₃模板的工艺参数的影响
• 3.6 模板晶粒取向生长的影响因素
• 3.7 织构化显微结构的形成
• 3.8 织构化对NBT-BT-ST陶瓷性能的影晌
• 3.9 本章小结
• 4 脉冲强磁场下晶粒取向制备NBBT6织构化陶瓷
• 4.1 前言
• 4.2 弱磁性材料在强磁场中取向的条件
• 4.3 脉冲强磁场发生系统装置
• 4.4 凝胶注模成型技术
• 4.5 工艺流程
• 4.6 NBBT6粉料及其表征
• 4.7 脉冲强磁场对水基凝胶注模成型的影响
• 4.8 干燥
• 4.9 生坯排塑、烧结工艺
• 4.10 脉冲强磁场织构NBBT6陶瓷的XRD分析及微观结构
• 4.11 NBBT6陶瓷介电性能及铁电性
• 4.12 NBBT6织构陶瓷的压电性能
• 4.13 本章小结
• 5 脉冲强磁场下晶粒诱导取向制备NBBT基织构化陶瓷
• 5.1 前言
• 5.2 实验方案
• 5.3 模板晶粒诱导脉冲强磁场取向织构NBBT6化陶瓷
• 3诱导脉冲强磁场取向织构NBBT6陶瓷'>5.4 磁性晶粒BiFeO₃诱导脉冲强磁场取向织构NBBT6陶瓷
• 5.5 本章小结
• 6 强磁场弱磁性晶粒取向的理论分析
• 6.1 强磁场磁各向异性弱磁性晶粒的旋转取向理论分析
• 6.2 磁各向异性晶体取向后定向聚合的理论分析
• 6.3 磁各向异性晶粒的旋转取向动力学模型
• 7 结论与展望
• 7.1 结论
• 7.2 展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录1