SrBi2Nb2O9无铅压电织构陶瓷制备及其电性能的研究

论文摘要

本文以铌酸锶铋（SrBi2Nb2O9,简称SBN）为主要研究对象,以熔盐法制备的（00l）方向的片状SBN晶粒为模板,采用模板晶粒生长法（TGG）制备了取向良好的SBN织构陶瓷。系统地研究了SBN模板晶粒熔盐法制备工艺;分析了模板含量对SBN织构陶瓷烧结行为、织构度、微观结构及沿c轴方向的电性能的影响;并深入探讨了SBN织构陶瓷沿a-b面和c轴方向的介电、压电及铁电性能。研究了熔盐含量、合成温度以及熔盐种类对SBN模板晶体生长和粉体形貌的影响。结果表明:与固相法相比,熔盐法是一种制备无团聚且沿（00l）面高度定向生长SBN模板晶体的有效方法。随着熔盐含量增加以及合成温度的提高,合成的SBN晶粒尺寸逐渐增大,900℃时晶粒尺寸达到最大,温度继续升高,晶粒尺寸有所降低。制备大尺寸和高度各向异性生长的SBN模板晶体的最佳工艺条件是:以KCl-NaCl（1:1 mol）为熔盐,熔盐含量为原料用量的100 wt%,合成温度为900℃,保温4 h。研究了模板含量对SBN织构陶瓷烧结行为、织构度、显微结构以及沿c轴方向电性能的影响。结果表明,1200℃保温2 h烧结获得的SBN织构陶瓷的体积密度在模板含量为10 wt%时达到最大,模板含量继续增加,体积密度降低;随着模板含量的增加,织构陶瓷的晶粒尺寸逐渐增大且晶粒取向性生长趋于明显,当模板含量为10 wt%时,可获得最大晶粒取向率f为0.81的织构化SBN陶瓷。同时,当模板含量为20wt%时,沿c轴方向的介电常数在低频至高频范围内均具有最大值;模板含量为10 wt%时,材料具有较低的介电损耗,介电常数随频率的变化没有出现介电频率松弛现象。研究了SBN织构陶瓷沿a-b方向和c轴方向的介电、压电及铁电性能。发现SBN织构陶瓷a-b方向的电性能明显优于c轴方向,呈现出显著的各向异性,其a-b方向的介电常数ε33T/ε0=186,介电损耗tanδ=0.003,压电常数d33=13 pC/N,剩余极化强度Pr=10.3μC/cm2,矫顽场强Ec=4.6 kV/mm,均明显优于c轴方向的电性能。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 目录
• 1 引言
• 2 文献综述
• 2.1 铁电体的基本概念
• 2.1.1 铁电体
• 2.1.2 电畴
• 2.1.3 电滞回线
• 2.1.4 铁电体陶瓷
• 2.2 铋层状化合物铁电体
• 2.2.1 铋层状化合物的结构
• 2.2.2 铋层状化合物的物理性质及应用
• 2.3 织构陶瓷制备的研究
• 2.3.1 织构陶瓷的制备方法
• 2.3.2 模板晶粒的熔盐法制备
• 2.3.3 流延成型工艺
• 2.4 SBN压电陶瓷的研究现状及进展
• 2.4.1 SBN压电陶瓷的掺杂改性研究
• 2.4.2 SBN压电陶瓷的工艺改性研究
• 2.5 本研究的总体思路、研究内容及其意义
• 3 实验
• 3.1 陶瓷样品的制备工艺过程
• 3.1.1 主要原料
• 3.1.2 实验仪器与设备
• 3.1.3 熔盐法制备SBN模板晶粒的工艺流程
• 3.1.4 SBN织构陶瓷的制备工艺流程
• 3.2 陶瓷样品的结构及其性能表征方法
• 3.2.1 热分析
• 3.2.2 物相结构分析
• 3.2.3 显微结构分析
• 3.2.4 陶瓷样品的线收缩率和体积密度测试
• 3.2.5 织构陶瓷织构度f的计算
• 3.2.6 陶瓷样品的介电性能和居里温度的测试
• 3.2.7 陶瓷样品的压电性能测试
• 3.2.8 陶瓷样品的铁电性能测试
• 4 熔盐法制备SBN模板晶粒的研究
• 4.1 引言
• 4.2 熔盐法与固相法制备SBN粉体的对比
• 4.3 熔盐含量对SBN模板晶粒微观形貌的影响
• 4.4 合成温度对SBN模板晶粒微观形貌的影响
• 4.5 以硫酸盐为熔盐对 SBN晶粒微观形貌的影响
• 4.6 小结
• 5 SBN织构陶瓷的制备与电性能研究
• 5.1 引言
• 5.2 SBN基体粉体合成工艺确定
• 5.2.1 TG-DTA分析
• 5.2.2 XRD物相分析
• 5.3 陶瓷的体积密度与线收缩率
• 5.4 模板含量对SBN织构陶瓷织构度的影响
• 5.5 模板含量对SBN织构陶瓷显微组织结构的影响
• 5.6 模板含量对SBN织构陶瓷电性能的影响
• 5.7 SBN织构陶瓷电性能的各向异性
• 5.7.1 SBN织构陶瓷介电性能的各向异性
• 5.7.2 SBN织构陶瓷压电性能的各向异性
• 5.7.3 SBN织构陶瓷铁电性能的各向异性
• 5.8 小结
• 6 结论
• 致谢
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表论文及申请的专利