BNT基无铅压电陶瓷的制备及其性能研究

发布时间：2017-09-07 23:47

  本文关键词：BNT基无铅压电陶瓷的制备及其性能研究

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【摘要】：长期以来,锆钛酸铅基压电陶瓷以其优异的压电性能占据了传感器和致动器绝大部分的市场份额。但由于铅基压电陶瓷在制备过程中会产生严重的铅污染,对人类健康也有严重的危害。因此,研究开发环境友好型无铅压电材料成为迫在眉睫的任务。钛酸铋钠基无铅压电陶瓷是目前研究较为广泛的无铅压电材料之一。与锆钛酸铅系压电陶瓷相比,钛酸铋钠基无铅压电陶瓷具有较强的铁电性和较高的居里温度,但也存在着介电常数和压电性能较低,矫顽场较大等不足。针对这些问题,本论文以钛酸铋钠基无铅压电陶瓷为研究对象,从烧结工艺、掺杂改性、成分设计等方面对材料的相结构和电学性能进行了系统的研究。采用传统固相反应法成功制备出0.94Bi0.5Na0.5Ti O3-0.06Ba Ti O3无铅压电陶瓷,研究了烧结温度对其相结构、微观结构和电性能的影响。结果表明,该体系是弛豫铁电体,随着烧结温度的升高,弥散指数?分别为1.696、1.787、1.897、1.965,当烧结温度为1100℃时,陶瓷的体积密度和相对密度达到最大值,分别为5.99g/cm3和98.4%,具有良好的综合电性能:d33=180p C/N,Pr=38.7μC/cm2,Ec=37k V/cm,kp=0.331,Qm=135,tanδ=0.026。研究了不同成分和温度对(1-x)(0.94Bi0.5Na0.5Ti O3-0.06Ba Ti O3)-x Li Nb O3(0≤x≤0.06)陶瓷场致应变性能的影响。结果表明:Li Nb O3的掺入能够有效地提高材料的应变性能。当x=0.025时,由于铁电-弛豫转变温度TF-R降到了室温,应变值达到最大值0.6%,等效压电常数d33*=857pm/V,此外,当x=0.02时,在室温也得到了高的应变值0.55%,即d33*=785pm/V,同时压电常数也达到最大值d33=245p C/N。温度的变化也能够显著地改变材料的应变性能,对于x=0.01和x=0.02,当温度从室温升高到TF-R附近时,等效压电常数d33*分别从344 pm/V、617 pm/V增加到912 pm/V、836 pm/V,对于x=0.04和x=0.05,由于它们的铁电-弛豫转变温度TF-R降到了室温以下,应变值几乎不随温度而变化,出现了电致伸缩现象,电致伸缩系数Q33基本保持在0.02m4C-2。采用传统固相法成功制备了单一钙钛矿结构的0.96(Bi0.5Na0.5)Ti O3-(0.04-x)Ba Ti O3-x Li Nb O3(0≤x≤0.04)无铅压电陶瓷,研究了该体系的相结构、致密度以及电性能。结果表明,陶瓷的相对密度均高达97%以上,致密性良好,随着x值的增加,陶瓷的弛豫性先减小后增大,弥散指数?分别为1.907、1.844、1.746、1.593、1.708,当0.02≤x≤0.03时,存在三方相和四方相共存的准同型相界区域,陶瓷样品在x=0.03时展现出最佳的综合性能:d33=124p C/N,Pr=37.9μC/cm2,Ps=43μC/cm2,Ec=47k V/cm,εr=694,tanδ=0.045。
【关键词】：无铅压电陶瓷 钛酸铋钠 掺杂改性 烧结温度 弛豫铁电体 场致应变
【学位授予单位】：南京航空航天大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TM282
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-12
• 注释表12-13
• 第一章 绪论13-25
• 1.1 引言13
• 1.2 无铅压电陶瓷的研究现状13-17
• 1.2.1 钛酸钡体系无铅压电陶瓷14-15
• 1.2.2 铌酸盐体系无铅压电陶瓷15-16
• 1.2.3 钛酸铋钠体系无铅压电陶瓷16-17
• 1.3 BNT基无铅压电陶瓷的研究进展17-23
• 1.3.1 BNT基无铅压电陶瓷的相变结构及弛豫特性的研究17-20
• 1.3.2 BNT基无铅压电陶瓷改性的研究20-23
• 1.3.2.1 BNT基无铅压电陶瓷固溶改性的研究20-21
• 1.3.2.2 BNT基无铅压电陶瓷掺杂改性的研究21-22
• 1.3.2.3 BNT基无铅压电陶瓷场致应变的研究22-23
• 1.4 本课题的研究意义及内容23-25
• 第二章 BNT基无铅压电陶瓷制备及性能表征25-35
• 2.1 引言25
• 2.2 BNT基压电陶瓷制备工艺流程25-29
• 2.2.1 实验原料及制备仪器25-26
• 2.2.2 混料26
• 2.2.3 预烧26-27
• 2.2.4 造粒、成型27
• 2.2.5 排塑27-28
• 2.2.6 烧结28
• 2.2.7 上电极28-29
• 2.2.8 极化29
• 2.3 BNT基压电陶瓷性能测试29-35
• 2.3.1 体积密度测试29
• 2.3.2 XRD物相分析29-30
• 2.3.3 SEM显微结构分析30
• 2.3.4 电学性能表征30-35
• 2.3.4.1 介电常数30-31
• 2.3.4.2 介质损耗31
• 2.3.4.3 铁电回线31-32
• 2.3.4.4 场致应变32
• 2.3.4.5 压电常数32
• 2.3.4.6 机电耦合系数32-33
• 2.3.4.7 机械品质因数33
• 2.3.4.8 居里温度33-35
• 第三章 0.94BNT-0.06BT无铅压电陶瓷烧结性能的研究35-43
• 3.1 引言35
• 3.2 实验概述35-36
• 3.3 不同烧结温度对BNBT6 陶瓷致密度和相结构的影响36-38
• 3.3.1 不同烧结温度对BNBT6 陶瓷密度的影响36-37
• 3.3.2 不同烧结温度对BNBT6 陶瓷显微结构的影响37
• 3.3.3 不同烧结温度对BNBT6 陶瓷相结构的影响37-38
• 3.4 不同烧结温度对BNBT6 陶瓷电学性能的影响38-42
• 3.4.1 不同烧结温度对BNBT6 陶瓷铁电性能的影响38-39
• 3.4.2 不同烧结温度对BNBT6 陶瓷压电性能的影响39-40
• 3.4.3 不同烧结温度对BNBT6 陶瓷介电性能的影响40-42
• 3.5 本章小结42-43
• 第四章 高场致应变BNBT6-xLN无铅压电陶瓷性能的研究43-57
• 4.1 引言43-44
• 4.2 实验概述44
• 4.3 BNBT6-xLN陶瓷致密度和相结构的研究44-46
• 4.3.1 BNBT6-xLN陶瓷的密度和显微结构44-45
• 4.3.2 BNBT6-xLN陶瓷的相结构45-46
• 4.4 常温下BNBT6-xLN陶瓷电学性能的研究46-51
• 4.4.1 常温下BNBT6-xLN陶瓷的铁电性能46-47
• 4.4.2 常温下BNBT6-xLN陶瓷的场致应变47-49
• 4.4.3 BNBT6-xLN陶瓷的介电性能49-50
• 4.4.4 BNBT6-xLN陶瓷的相图50-51
• 4.5 变温下BNBT6-xLN陶瓷电学性能的研究51-55
• 4.5.1 变温下BNBT6-x LN陶瓷的铁电性能51-52
• 4.5.2 变温下BNBT6-x LN陶瓷的场致应变52-55
• 4.6 本章小结55-57
• 第五章 0.96BNT-(0.04-x)BT-xLN陶瓷相结构和电学性能的研究57-65
• 5.1 引言57
• 5.2 实验概述57-58
• 5.3 0.96BNT-(0.04-x)BT-xLN陶瓷致密度和相结构的研究58-59
• 5.3.1 0.96BNT-(0.04-x)BT-xLN陶瓷的密度58
• 5.3.2 0.96BNT-(0.04-x)BT-xLN陶瓷的相结构58-59
• 5.4 0.96BNT-(0.04-x)BT-xLN陶瓷电学性能的研究59-63
• 5.4.1 0.96BNT-(0.04-x)BT-xLN陶瓷的铁电性能59-60
• 5.4.2 0.96BNT-(0.04-x)BT-xLN陶瓷的压电性能60-61
• 5.4.3 0.96BNT-(0.04-x)BT-xLN陶瓷的介电性能61-63
• 5.5 本章小结63-65
• 第六章 总结与展望65-67
• 6.1 本文工作总结65-66
• 6.2 下一步工作建议与展望66-67
• 参考文献67-75
• 致谢75-76
• 在学期间的研究成果及发表的学术论文76

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