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Bi_(0.5)Na_(0.5)TiO_3基无铅压电陶瓷体系的设计、制备及性能研究

鄢洪建  
【摘要】:本论文研究了BNT基无铅压电陶瓷体系的原子组成和压电性能的关系,提 出了一个可以用于筛选BNrF基无铅压电陶瓷体系的半经验原则,并利用此原则 首次提出了(Bio.5Nao.5)1-x(BaaSrb)xTiO3{0xl, a+b=l, 简记为 BNBST[IOOx.100a/100b]}无铅压电陶瓷体系,确定了具有实用意义的材料配方 范围:采用传统陶瓷制备工艺制备了BNBST[100x-100a/100b]无铅压电陶瓷,详 细研究了其制备工艺;采用柠檬酸盐法制备了BNBST6.100/0陶瓷粉体及陶瓷; 采用TG-DTA、XRD、SEM、XEDS、XPS等分析手段,研究了陶瓷粉体合成过 程中的化学过程,陶瓷的结晶性能、化学成分及其变化情况;测试了 BNBST[100x.100a/100b]无铅压电陶瓷的介电、压电性能;以BNBST6—95/5为代 表,通过测试介电常数韫度曲线、介质损耗.温度曲线及不同温度条件下的电滞 回线,分析讨论了BNBST陶瓷的相变;通过与铅基压电陶瓷性能对比,分析了 BNBST无铅压电陶瓷的可能应用。通过以上研究工作,本论文得到以下具有创 新性研究成果: (1)通过对BNT基无铅压电陶瓷体系的A.位离子和B.位离子的离子半径 差R、原子量差M以及电负性差因与BNT基无铅压电陶瓷体系的机电耦合系数 WP=5 (K33、K0)的关系的研究,定义了一个包含有A.位和B。位离子的原子量差M、 离子半径差R以及电负性差因且与自发极化相关的综合因子F(w) (F(w)=M+R+100X)。找出了F(W)与K33、K0有很好的相关性,随着尺w)的增 加,岛3、%相应增大;在F(w)处于160~165之间K0增加迅速,其后增加缓慢; 月M与如3近似直线关系。 (2)研究表明,不需要控制气氛即可获得致密性良好的 BNBST[100x.100a/100b]无铅压电陶瓷烧结体,其烧结温度在1125~1200~C之I’刮。 (3)热重.差热分析表明,在BNBST无铅压电陶瓷粉体的制备过程中,生 料分别经历了SrTiO3的形成、BaTiO3的形成、(Bio.5Nao.5)的形成,然后由这 些化合物形成固溶体的过程。 (4)以BNBST6-95/5为代表,首次运用XEDS分析研究了 BNBST[l00x-100a/100b]无铅压电陶瓷的Bi、Na组分在烧结过程中的挥发情况, 研究发现在BNBST陶瓷的烧结过程中存在Bi、Na的挥发,而且Bi、Na的挥发 程度不一致。 (5)XRD测试表明,所有的陶瓷样品都具有单一的钙钛矿结构, BNBST[100x.100a/100b]陶瓷的晶格常数随着陶瓷中Sr含量的增加而相应的减 小。 (6)介电性能测试结果表明,BNBST[100x-100a/100b]无铝压电陶瓷的介 电常数可以随组成的不同在400~1240之间变化。压电性能测试结果说明, BNBST‘8.80/20无铅压电陶瓷的压电常数d33可达170pC/N。 (7)BNBST[100x.100a/100b1无铅压电陶瓷具有相当好的谐振.反谐振曲 线,这显示了此陶瓷具有很好的压电响应。通过谐振.反谐振方法测试得出, BNBST[100x-100a/100b]无铅压电陶瓷的机电耦合系数k0在x=0.06、b--0.05时可 达到0.311。 (8)BNBST6-95/5陶瓷在室温附近即可得到饱和的电滞回线,表明室温下 BNBST6.-95/5陶瓷为铁电相,并由电滞回线得出,BNBST6.95/5陶瓷在室温下 的剩余极化尸r为23.6gC/cm2,矫顽场反为3.0kV/cm。 (9)BNBST6-95/5陶瓷的介温曲线表明,在200оC附近出现了介电峰和介 质损耗峰,但电滞回线测试结果表明,直到210"C时都观测不到标志反铁电相存 WP=6 在的双电滞回线。BNBST6-95/5陶瓷不存在高温反铁电相,在203℃附近发生的 是一种铁电.铁电相变过程。 (1 0)柠檬酸盐法合成BNBST陶瓷粉体的合成温度比传统氧化物固相法低 得多,而且是一步反应形成BNBST固溶体。柠檬酸盐法制备的BNBST6-100/0 陶瓷可获得致密性高、晶粒发育良好且呈明显的四方形的BNBST压电陶瓷。采 用柠檬酸盐法制备的BNBST压电陶瓷的介质损耗rand可由固相氧化物法的 3.4%降为2.4%。


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