铁酸铋基高性能无铅压电陶瓷的制备及性能调控研究

发布时间：2017-10-16 23:30

  本文关键词：铁酸铋基高性能无铅压电陶瓷的制备及性能调控研究

  更多相关文章： 铁酸铋 钛酸钡 固相反应法 掺杂改性 压电性能

【摘要】：铁酸铋(BiFeO3)是一种具有简单钙钛矿结构的多铁材料,因为其具有高居里温度(Tc约为1100℃)和高奈尔温度(TN约为640℃),是少数的能在室温条件下呈现出铁电性和铁磁性的单相多铁材料,所以具有非常广阔的应用前景。但它也同时具有较大的缺陷：烧结时容易产生杂相；Bi挥发与Fe变价容易生成氧空位；电阻率较低；漏电流较大；室温下很难得到饱和的电滞回线。针对铁酸铋的这些缺陷,目前的应对方式主要有以下两种：一是与其他钙钛矿材料进行固溶；二是选取适宜的元素进行掺杂改性。本文则同时采用了这两种方法,先是通过固相反应法制备了铁酸铋-钛酸钡(BF-BT)的二元系固溶体,并对其结构和性能进行了研究；然后在BF-BT的基础上选取Mn元素单独掺杂和Zr、Hf两种元素共掺杂,研究了这些掺杂元素对陶瓷结构和性能的影响。首先,采用固相反应法制备了(1-x)BiFeO3-xBaTiO3二元系无铅压电陶瓷,并对其物相、形貌、介电、压电性能进行了研究。通过XRD和SEM图可以得知,BT的加入能够有效抑制杂相的生成,促进陶瓷晶粒的增长(由2gm增加到了5μm左右),并且随着含量的增加能够引起陶瓷物相的变化(由三方相转变为伪立方相)。介电损耗也因为固溶作用而降低,压电性能则随之增强,并在x=0.3时达到最大值30pC/N。同时,考察了一种新的制备方法——快速烧结法,省去了固相反应法中预烧和二次球磨两个步骤,通过对比发现产物陶瓷在最终性能上并没有表现出优越的地方,说明预烧步骤的省略并不能减少Bi元素的挥发。然后,在上述实验的基础上,制备了Bi元素过量的0.7BF-0.3BT陶瓷。最终结果表明Bi元素的过量加入有效地抑制了Bi元素的挥发,保证了最初的化学计量比,陶瓷的致密度由此升高,孔隙率降低。结构的改善使得性能获得增强,Bi过量的产物陶瓷压电性能更为优异。最后,在BF-BT的基础上进行了Mn元素的单独掺杂改性和Zn、Hf两种元素的共同掺杂改性。研究表明,Mn元素的加入能够显著降低陶瓷的漏电流,陶瓷的电绝缘性因此增强,介电损耗减小。并且Mn的掺入能够明显促进晶粒的生长,排列也变得更加致密。Zn、Hf两种元素的掺入显著地提高了陶瓷的耐电压性,能够测得闭合的电滞回线,陶瓷的铁电性能得到改善。与此同时,陶瓷的致密度也大为提高,相对密度接近97.1%,漏电流也得到了抑制。在掺入量x=0.03时,得到了最高的压电常数44pC/N。
【关键词】：铁酸铋 钛酸钡 固相反应法 掺杂改性 压电性能
【学位授予单位】：北方工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TM282
【目录】：

• 摘要3-5
• ABSTRACT5-10
• 第一章 绪论10-21
• 1.1 压电陶瓷概述10-14
• 1.1.1 基本概念10
• 1.1.2 压电效应10-13
• 1.1.3 压电陶瓷的发展和应用13-14
• 1.2 无铅压电陶瓷的研究现状14-18
• 1.2.1 无铅压电陶瓷的研究意义14-15
• 1.2.2 无铅压电陶瓷的分类15-18
• 1.3 本论文研究的内容、目的及意义18-21
• 1.3.1 本论文研究的内容18-20
• 1.3.2 本论文的目的及意义20-21
• 第二章 样品陶瓷的制备与表征21-28
• 2.1 引言21
• 2.2 制备工艺流程21-24
• 2.3 陶瓷的表征24-27
• 2.3.1 陶瓷的结构和形貌表征24-25
• 2.3.2 陶瓷性能的表征25-27
• 2.4 本章小结27-28
• 第三章 BF-BT无铅压电陶瓷的结构和性能28-42
• 3.1 BF-BT二元固溶体系的结构和性能28-34
• 3.1.1 BF-BT固溶体的制备28
• 3.1.2 BF-BT固溶体的结构28-31
• 3.1.3 BF-BT产物陶瓷的性能31-33
• 3.1.4 0.7BF-0.3BT压电陶瓷的结构和性能33-34
• 3.2 快速烧结法制备0.7BF-0.3BT压电陶瓷34-38
• 3.2.1 快速烧结法34-35
• 3.2.2 快速烧结法制备的0.7BF-0.3BT陶瓷的结构35-36
• 3.2.3 快速烧结法制备的0.7BF-0.3BT陶瓷的性能36-38
• 3.3 Bi过量0.7BF-0.3BT压电陶瓷的结构和性能38-41
• 3.3.1 Bi过量对0.7BF-0.3BT陶瓷物相的影响38-39
• 3.3.2 Bi过量对0.7BF-0.3BT陶瓷微观形貌的影响39
• 3.3.3 Bi过量对0.7BF-0.3BT陶瓷性能的影响39-41
• 3.4 本章小结41-42
• 第四章 Mn掺杂对BF-BT压电陶瓷结构和性能的影响42-46
• 4.1 引言42
• 4.2 Mn元素掺杂对BF-BT陶瓷结构上的影响42-43
• 4.3 Mn掺杂对0.7BF-0.3BT陶瓷性能上的影响43-45
• 4.3.1 Mn掺杂对0.7BF-BT陶瓷介电性能的影响43-44
• 4.3.2 Mn掺杂对0.7BF-BT陶瓷压电性能的影响44-45
• 4.4 本章小结45-46
• 第五章 Zn、HF掺杂对BF-BT压电陶瓷结构和性能的影响46-52
• 5.1 引言46-47
• 5.2 Zn、Hf元素掺杂对0.75BF-0.25BT陶瓷结构的影响47-49
• 5.2.1 BF_(1-x)(Hf_(0.5)Zn_(0.5))_x-0.25BT压电陶瓷的物相47
• 5.2.2 BF_(1-x)(Hf_(0.5)Zn_(0.5))_x-0.25BT压电陶瓷的微观形貌47-49
• 5.3 Zn、Hf元素掺杂对0.75BF-0.25BT陶瓷性能的影响49-51
• 5.3.1 BF_(1-x)(Hf_(0.5)Zn_(0.5))_x-0.25BT压电陶瓷的介电性能49
• 5.3.2 BF_(1-x)(Hf_(0.5)Zn_(0.5))_x-0.25BT压电陶瓷的铁电性能49-50
• 5.3.3 BF_(1-x)(Hf_(0.5)Zn_(0.5))_x-0.25BT压电陶瓷的压电性能50-51
• 5.4 本章小结51-52
• 第六章 结论与展望52-54
• 参考文献54-59
• 在学期间的研究成果59-60
• 致谢60

【相似文献】

中国期刊全文数据库 前10条

1 尹奇异,赁敦敏,肖定全,朱建国,余萍;无铅压电陶瓷及其应用研究[J];金属功能材料;2004年06期

2 王震平;李国祥;;无铅压电陶瓷材料的研究现状[J];内蒙古石油化工;2008年22期

3 陆雷;肖定全;田建华;朱建国;;无铅压电陶瓷薄膜的制备及应用研究[J];功能材料;2009年05期

4 段星;;无铅压电陶瓷制备方法的研究进展[J];江苏陶瓷;2009年04期

5 武丽明;刘泳;吕会芹;迟庆斌;王淑婷;陈倩;初瑞清;徐志军;;铋层状无铅压电陶瓷的研究进展[J];聊城大学学报(自然科学版);2012年03期

6 肖定全;;钙钛矿型无铅压电陶瓷研究进展及今后发展思考[J];人工晶体学报;2012年S1期

7 赁敦敏,肖定全,朱建国,余萍,鄢洪建;无铅压电陶瓷的研究与进展[J];哈尔滨理工大学学报;2002年06期

8 赁敦敏,肖定全,朱建国,余萍,鄢洪建;铋层状结构无铅压电陶瓷的研究与进展——无铅压电陶瓷20年发明专利分析之三[J];功能材料;2003年05期

9 赁敦敏,肖定全,朱建国,余萍,鄢洪建;无铅压电陶瓷研究开发进展[J];压电与声光;2003年02期

10 肖定全,赁敦敏,朱建国,余萍;新型无铅压电陶瓷的研制[J];电子元件与材料;2004年11期

中国重要会议论文全文数据库 前10条

1 马晴;李全禄;张晴;梁盛德;李晓娟;;无铅压电陶瓷材料的研究[A];第二届全国压电和声波理论及器件技术研讨会摘要集[C];2006年

2 张卫珂;尹衍升;张敏;谭训彦;;无铅压电陶瓷的开发及目前研究现状[A];《现代陶瓷科技进步与发展》学术研讨会论文集[C];2005年

3 郑曙;肖少泉;;无铅压电陶瓷研发中的电子探针分析[A];2006年全国电子显微学会议论文集[C];2006年

4 庄志强;黄浩源;莫卿具;;无铅压电陶瓷的研究与应用[A];中国电子学会第十五届电子元件学术年会论文集[C];2008年

5 刘代军;杜红亮;唐福生;罗发;周万城;;氧化铋掺杂对铌酸钾钠无铅压电陶瓷性能的影响[A];《硅酸盐学报》创刊50周年暨中国硅酸盐学会2007年学术年会论文摘要集[C];2007年

6 褚祥诚;邬军飞;李龙土;钟亮;赵世玺;;熔盐法制备KNLNTS无铅压电陶瓷及其应用[A];第三届全国压电和声波理论及器件技术研讨会论文集[C];2008年

7 李秋红;周桃生;徐玲芳;马海峰;;无铅压电陶瓷NBT的极化条件研究[A];湖北省物理学会、武汉物理学会成立70周年庆典暨2002年学术年会论文集[C];2002年

8 杜鹃;王矜奉;苏文斌;亓鹏;明保全;郑立梅;;低锂NKN基无铅压电陶瓷性能研究[A];中国电子学会第十五届电子元件学术年会论文集[C];2008年

9 徐祥宁;刘军;陈彩风;陈萍;;水热法制备NBBT无铅压电陶瓷粉体的研究[A];第三届全国压电和声波理论及器件技术研讨会论文集[C];2008年

10 黄新友;朱志雯;高春华;花海堂;;钡的含量对低温烧结BCTZ-0.2Li无铅压电陶瓷性能的影响[A];第十七届全国高技术陶瓷学术年会摘要集[C];2012年

中国重要报纸全文数据库 前1条

1 ;推行电子陶瓷无铅化刻不容缓[N];中国电子报;2006年

中国博士学位论文全文数据库 前10条

1 亓鹏;掺杂改性对铌酸盐无铅压电陶瓷材料性能的影响[D];山东大学;2008年

2 杜鹃;无铅压电陶瓷性能和温度稳定性的研究[D];山东大学;2009年

3 吴玲;碱金属铌酸盐无铅压电陶瓷的物性研究[D];山东大学;2008年

4 郑立梅;铌酸钾钠基无铅压电陶瓷改性研究[D];山东大学;2010年

5 周佳骏;铌酸钾钠基无铅压电陶瓷的相结构和性能调控[D];清华大学;2012年

6 盖志刚;钛酸铋钠无铅压电陶瓷与高温铋层无铅压电陶瓷探索[D];山东大学;2008年

7 朱立峰;高性能钛酸钡基无铅压电陶瓷的相结构调控及性能增强机理[D];北京科技大学;2015年

8 范桂芬;钛酸铋钠基多元无铅压电陶瓷的结构及性能研究[D];华中科技大学;2007年

9 庞旭明;铌酸盐无铅压电陶瓷烧结特性及压电性能研究[D];南京航空航天大学;2012年

10 黎慧;钛酸铋钠基无铅压电陶瓷及其织构技术的研究[D];华中科技大学;2008年

中国硕士学位论文全文数据库 前10条

1 廖庆佳;铌酸钾钠基无铅压电陶瓷的制备及改性研究[D];广西大学;2015年

2 郭霄峰;水热法制备BNT无铅压电陶瓷及性能研究[D];北京理工大学;2015年

3 黄小琴;掺杂改性对BCZT基无铅压电陶瓷结构与电学性能的影响[D];贵州大学;2015年

4 岳青影;钛酸钡基铁电陶瓷材料的老化研究[D];宁波大学;2015年

5 韦永彬;稀土掺杂铌酸钾钠基无铅压电陶瓷光流明性能研究[D];浙江师范大学;2015年

6 奉伟;多元素掺杂铌酸钾钠基无铅压电陶瓷结构与性能研究[D];中国地质大学;2015年

7 巩雪;铈钛酸钡钙无铅压电陶瓷的介电压电性质及其制冷应用[D];南京大学;2014年

8 刘奕君;铌酸钾钠基无铅压电陶瓷的制备及其性能研究[D];景德镇陶瓷学院;2015年

9 欧阳宇星;BCTZ无铅压电陶瓷的制备与性能研究[D];景德镇陶瓷学院;2015年

10 王青山;铁酸铋基高性能无铅压电陶瓷的制备及性能调控研究[D];北方工业大学;2016年

，

本文编号：1045545