BNT-BT无铅压电陶瓷的制备及掺杂改性研究

发布时间：2020-04-10 20:57

【摘要】：本论文采用固相合成法来制备Bi_(0.5)Na_(0.5)TiO_3-BaTiO_3二元体系无铅压电陶瓷。首先,以Bi_(0.5)Na_(0.5)TiO_3为基体,通过改变掺入的第二组元BaTiO_3的量,根据XRD的物相分析结果准确寻找其组成范围内的三方-四方相的两相界面,即准同型相界(MPB)区域,同时研究成份在准同型相界附近的物相、微观形貌及压电、介电性能,选出性能最佳的组成配方作为基体,进行下一步的掺杂改性研究;第二步,选择Bi_(0.5)Na_(0.5)TiO_3-Ba TiO_3二元陶瓷准同型相界附近性能最佳的组成为基体,引入同价态的K~+、Li~+对Bi_(0.5)Na_(0.5)TiO_3钙钛矿结构A位的的Na~+进行部分取代,以期改善的烧结特性、提高其压电性能;第三步,分别掺入烧结助剂MnO_2,以及稀土氧化物CeO_2,研究MnO_2掺杂对准同型相界处的Bi_(0.5)Na_(0.5)TiO_3-BaTiO_3二元陶瓷烧结特性和机电性能的影响,研究CeO_2掺杂对其物相结构和压电、介电性能的影响。主要研究内容及结果如下:1)在室温时,Bi_(0.5)Na_(0.5)TiO_3是三方相,BaTiO_3是四方相,Ba TiO_3能够很好地与Bi_(0.5)Na_(0.5)TiO_3固溶,当x≤0.08时为单一的钙钛矿结构,表明Ba~(2+)已经进入到晶格中,并在x=0.10时出现了杂相;随着BaTiO_3含量x的增大,晶体结构发生发生三方-四方相的转变,当x≤0.05时为单一的三方相结构,0.06≤x≤0.08时为三方-四方相共存的准同形相界区域,x=0.10时完全转变为四方相结构;并且BaTiO_3的加入能够很好地提高其性能,组成在准同形相界区域时,压电常数d_(33)由80pC/N提升至120pC/N以上;另外,随着Ba TiO_3含量的增加,陶瓷样品的居里温度T_C下降。在1100℃~1180℃烧结制备的BNBT7样品,能够形成三方-四方相共存的钙钛矿结构陶瓷。当BaTiO_3含量为x=0.07,烧结温度为1160℃时陶瓷样品具有最优的综合性能:d_(33)=132pC/N,k_p=0.221,ε_r=831,tanδ=0.0255,密度ρ=5.79g/cm~3,居里温度T_C=280℃。2)在MPB成份附近的(1-x)BNT-xBT(选取组分x=0.07)基础上,用K、Li取代部分Na构建0.93Bi_(0.5)(Na_(0.82)K_(0.18-x)Li_x)_(0.5)TiO_3-0.07BaTiO_3陶瓷;K,Li与Na为同一主族元素,用K、Li取代Na,K、Li会占据部分原来A位的Na的位置,引起晶胞的畸变。随着Li~+的掺入,Li~+掺入量为0.02≤x≤0.06时产生了杂相K_2Ti_6O_(13),当Li~+的掺入量达到x=0.08杂相消失;当Li~+的掺入量较低时以长条状晶粒为主,当Li~+的掺入量达到x=0.06时长柱状晶粒消失,转变为颗粒状晶粒;当Li~+的掺入量为x=0.06,烧结温度为1160℃时陶瓷样品具有最佳的压电、介电性能:d_(33)=145pC/N,k_p=0.180,Q_m=77,ε_r=1061,tanδ=0.0264。3)在0.93Bi_(0.5)Na_(0.5)TiO_3-0.07BaTiO_3的基础上,我们选择MnO_2和CeO_2作为添加剂,期望能改善陶瓷的部分性能。锰作为一种多价元素,将其掺入到压电陶瓷基体后,少量的Mn掺杂可以有助于烧结过程,提高陶瓷的机械品质因素Q_m和压电性能;Ce作为一种常用的稀土掺杂物,掺入到陶瓷基体后,Ce离子会在晶界处聚集,会阻碍晶粒的长大,使得陶瓷晶粒细化,提高了介电性能;MnO_2和CeO_2掺杂量较低时,都能很好地溶入基体中,无杂相产生;掺杂量较低时能够提高陶瓷的压电、介电性能,掺杂量超过一定量时使陶瓷性能变差。
【图文】：

正压电效应,压电效应,逆压电效应,常态

电陶瓷材料在电子功能材料的应用方面占据很大的比重，在军工和民用方面广泛的应用，主要包括超声换能器、滤波器、变压器等[6-8]。在科技应用越普及化的时代，压电陶瓷等功能材料的研究愈加显得重要。为了更好地了解材料的相关知识，我们就关于压电体的一些基本理论以及压电陶瓷材料的发应用作一个简单的概述：.1.1 压电效应对压电晶体在一定方向上施加一个作用力时，在晶体两端表面会产生数量的异号电荷，在一定范围内作用于压电晶体上的力越大，晶体两端表面的正荷数量越多，我们称之为正压电效；反之，，在一定方向的电场作用下，压电外形发生形变，在一定范围内，外加电场的强度越大，其形变程度越大，我之为逆压电效应，如图 1-1 所示[9]。压电效应描述的是压电材料的弹性与介之间的关系，压电材料所具有的这种特有的性质称为压电性。

热释电体,压电体,电介质,对称中心

内的正负电荷中心重合，在外应力作用下，发生形变后的晶胞仍然是不重合，晶体内部就会产生净电偶极矩。同理，对于逆外电场作用下能不能产生净电偶极矩也是取决于晶体是否对称晶体是否具有压电性，主要取决于晶体结构的对称性。具有对能产生净电偶极矩，就不具有具有压电性[12-14]。在所有晶体，分为中心对称和非中心对称两大类，其中没有对称中心共的晶体不具有压电性，故只有 20 个点群的晶体具有压电性。称型）没有对称中心是压电晶体的共性，但是不具有对称中心部都是压电体。1 种没有对称中心的晶体结构点群中，有 10 种极性类型的晶体热释电效应。在这 10 种极性类型的热释电晶体中又有一部分压电体、热释电体和铁电体之间的关系，如图 1-2 所示[15]。
【学位授予单位】：昆明理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TQ174.75

【参考文献】