准同相界处MnO2掺杂对(Bi0.5Na0.5)0.94Ba0.06TiO3压电陶瓷结构和性能的影响

论文摘要

压电陶瓷作为一类先进功能陶瓷材料，长期以来一直在电子陶瓷领域中占有非常重要的地位。目前就压电性能和实际应用而言，主要是以PbTiO3、PbZrO3为基的多元系压电陶瓷占统治地位，其中有毒物质铅的含量高达60％～70％，这势必将对人体健康和环境造成严重的危害，铅污染问题已经成为制约压电陶瓷行业发展的关键问题。因此开发和研制无铅压电陶瓷材料已成为全社会乃至全球关注的热点问题。在无铅压电陶瓷材料体系中，BNT基压电陶瓷被认为是最具实用化前景的陶瓷体系，该陶瓷体系具有较好的压电性能且部分压电性能参数已与PZT基陶瓷相当，因而可从无铅压电陶瓷材料现有性能去拓展其器件应用领域，或根据器件应用的性能参数要求去改进现有陶瓷体系或研发新的陶瓷体系。目前，对于BNT基无铅压电陶瓷的研究重点主要集中在传统工艺下的各种取代及掺杂改性上，公认的性能最好的组分为室温下处于三方—四方准同相界（MPB）附近的(Bi0.5Na0.5)0.94Ba0.06TiO3，其压电常数(d33高达125pC／N。本论文根据实验室现有条件采用固相反应传统电子陶瓷制备工艺分别制备了(Bi1／2Na1／2)0.94Ba0.06TiO3及(Bi1／2Na1／2)0.94Ba0.06TiO3+x（wt％）MnO2（x=0，0.15，0.3，0.45）无铅压电陶瓷，详细研究了陶瓷制备工艺环节和MnO2掺杂对无铅压电陶瓷(Bi1／2Na1／2)0.94Ba0.06TiO3的结构、介电性能和压电性能等的影响。采用日本Rigaku公司的D／max-2550／pc型X射线衍射仪、荷兰philips-FEI公司的Quanta 200型环境扫描电子显微镜等分析测试手段对陶瓷微观结构和形貌及其变化规律进行表征与研究。利用瑞士生产的XT200A型数字天平测试了不同预烧和烧结温度下各陶瓷样品的体积密度。运用中国科学院ZJ-4型准静态d33测试仪、Angilent公司的HP4294A型阻抗分析仪等测量系统对样品的介电性能、压电性能和机械性能等进行了测量和计算，并讨论了性能和结构之间的相互关系。对不同MnO2掺杂的(Bi1／2Na1／2)0.94Ba0.06TiO3压电陶瓷的结构、介电性能、压电性能等进行了比较。通过对未掺杂的无铅压电陶瓷(Bi1／2Na1／2)0.94Ba0.06TiO3的制备工艺、压电性能及介电性能等的研究发现，预烧温度为850℃、烧结温度为1160℃陶瓷的致密度、压电及介电性能等均表现出最佳值。因此可以得出(Bi1／2Na1／2)0.94Ba0.06TiO3无铅压电陶瓷的最佳烧结条件为：预烧温度为850℃，烧结温度为1160℃。通过对掺杂MnO2的(Bi1／2Na1／2)0.94Ba0.06TiO3无铅压电陶瓷的研究发现：随MnO2掺杂剂的加入，压电陶瓷的烧结温度迅速下降，表明MnO2掺杂有利于降低烧结温度；X射线图谱显示的不同MnO2掺杂的(Bi1／2Na1／2)0.94Ba0.06TiO3压电陶瓷体系均呈现钙钛矿型结构，没有发现第二相，表明MnO2掺杂并不影响陶瓷微观结构。陶瓷样品密度测试结果显示：随MnO2的加入，(Bi1／2Na1／2)0.94Ba0.06TiO3压电陶瓷的体积密度逐渐增加，当MnO2加入量为0.3wt％时，密度达最大值5.79g／cm3，继续加入密度则逐渐减小。实验结果还显示：随MnO2掺杂量的增加，陶瓷的介电常数、压电常数、机电耦合系数均表现出先增加后减小的趋势，并且当MnO2掺杂量为0.3wt％时，各参数均表现出最大值，其值为ε=879、d33=160pC／N、kp=28.46％。机械品质因数Qm在所掺杂的范围内（x≤0.45wt％）却表现为先减小后增加的趋势，当MnO2掺杂量为0.3wt％时，机械品质因数最小Qm=152.26。在所研究的掺杂范围内，介电损耗表现为先增大后减小接着又增加的趋势，当MnO2掺杂量为0.3wt％时获得最小值tanδ=0.026。另外，当加入适量MnO2，可在较低的极化场强（3kV）下得到较高的机电耦合系数，电阻率也明显提高，表明掺杂适量的MnO2可以有效地降低矫顽场强。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 压电陶瓷
• 1.2 无铅压电陶瓷
• 1.2.1 无铅压电陶瓷研究意义
• 1.2.2 无铅压电陶瓷分类及特点
• 1.3 BNT基无铅压电陶瓷
• 1.3.1 BNT压电陶瓷的一些理论知识
• 1.3.2 BNT基压电陶瓷的研究现状
• 1.4 本论文研究内容及意义
• 第二章 压电陶瓷的制备工艺及性能测试
• 2.1 压电陶瓷样品制备工艺
• 2.2 BNT基无铅压电陶瓷实验流程
• 2.3 压电陶瓷性能的测试与表征
• 2.3.1 样品体积密度ρ的测量
• 2.3.2 应用 XRD对样品结构分析
• 2.3.3 应用 SEM对样品形貌测试
• 2.3.4 电滞回线的测量
• 2.3.5 介电常数和介电损耗的测量
• 2.3.6 样品的极化和压电常数的测量
• 2.3.7 机电耦合系数和机械品质因数测量
• 第三章 0.94BNT-0.06BT陶瓷的制备和研究
• 3.1 样品的制备过程
• 3.2 样品结构、形貌及性能测试
• 3.3 结果与讨论
• 3.3.1 样品的体积密度分析
• 3.3.2 XRD和SEM结果分析
• 3.3.3 陶瓷样品的介电和压电性
• 3.4 本章小结
• 2掺杂的0.94BNT-0.06BT陶瓷的研究'>第四章 MnO₂掺杂的0.94BNT-0.06BT陶瓷的研究
• 4.1 引言
• 4.2 样品密度、相结构及形貌分析
• 4.2.1 密度测量
• 4.2.2 相结构分析
• 4.2.3 形貌分析
• 4.3 样品的介电、压电性能分析
• 4.3.1 压电常数和机械品质因数
• 4.3.2 介电常数和机电耦合系数
• 4.3.3 介电损耗
• 4.4 本章小结
• 第五章 结论和后期工作的讨论
• 5.1 结论
• 5.2 后期工作的讨论
• 参考文献
• 致谢
• 攻读硕士期间发表论文