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Na_(0.5)Bi_(0.5)TiO_3-BaTiO_3系无铅压电陶瓷的工艺、结构与性能研究

廖梅松  
【摘要】: 压电陶瓷是一种可实现机械能与电能相互转换的功能材料。传统的压电陶瓷在制备过程中存在着铅的挥发,不仅使陶瓷的化学计量比偏离,还会对环境造成污染。Na_(0.5)Bi_(0.5)TiO_3具有很强的铁电性,是一种很有希望的无铅压电材料。但纯Na_(0.5)Bi_(0.5)TiO_3具有较高的矫顽场和电导率,极化十分困难,压电性能难于充分表现出来,通过掺杂取代可降低其矫顽场。本论文以Ba~(2+)进行A位取代,采用固相合成法,制备出(1-x)Na_(0.5)Bi_(0.5)TiO_(3-x)BaTiO_3陶瓷样品,研究其最佳合成工艺条件及压电、铁电性能和介电弛豫特性。 选取部分组成点,采用不同的预合成温度、烧结温度和保温时间制各样品,测试各样品的晶体结构、体积密度、线收缩率和压电性能。研究表明:当x<0.06时,适宜的预合成温度应为900℃,当x≥0.06时,适宜的预合成温度应为950℃;样品的烧结必须有液相的存在,适量的液相有助于晶粒的生长和材料的致密化,但液相过多将降低压电性能。液相量的多少主要取决于烧结温度,适宜的烧结温度应为1170℃左右,保温时间应为2小时。 采用不同的极化温度、极化电压和极化时间对样品进行极化,测试其压电性能。结果表明,材料的最佳极化温度应为70℃,极化电压应为4kV/mm,极化时间为15分钟。 XRD分析表明,随着Ba~(2+)取代量的增加,样品晶体结构逐渐由三方相向四方相转变,在x=0.06~0.10组成范围内存在三方、四方相共存的准同型相界。SEM分析表明,Ba~(2+)的掺入抑制了晶粒的长大,使晶粒的尺寸变小。 测试了各组成点样品的压电性能,结果表明,与PZT基含铅压电陶瓷相似,材料在准同型相界组成范围内压电性能最佳。测试了样品的电滞回线,发现BaTiO_3的掺入有效降低了NBT基陶瓷的剩余极化强度和矫顽场,在准同型相界组成点,矫顽场达到最小值。 测量了各样品在1kHz、10kHz、100kHz频率下从室温至500℃的介电温谱,表明材料为弛豫铁电体,Ba~(2+)的掺入使其弛豫特性有所降低。当x≥0.10 武汉理工大学硕卜学位论文 时,材料在低温下具有下常铁电体的特征,高温下具有弛豫铁电体的特征。 两个介电反常峰的存在表明在此温度区间材料发生了两次相变。 测试了部分样品的变温电滞回线,发现了双电滞回线现象,表明材料在 升温过程中存在中间反铁电相,结合介电温谱分析,得出了材料的相图。 本课题得到了国家自然科学基金(编号:50272044)、日本NsG基金 和湖北省自然科学基金(编号:2002ABO76)项目的资助。


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