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(Ba0.85Ca0.15)(Zr0.1Ti0.9)O3陶瓷材料的低温烧结及温度稳定性研究

作　者: 缑润娜
导　师: 杨祖培
学　校: 陕西师范大学
专　业: 材料学
关键词: (Ba0.85Ca0.15)(Zr0.1Ti0.9)O3压电陶瓷 电性能 相结构 温度稳定性
分类号: TM282
类　型: 硕士论文
年　份: 2013年
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内容摘要


钛酸钡系列电子陶瓷是一种现代新型无铅压电陶瓷材料,在光、声、电子学等领域有着广泛的应用。作为最重要的一类陶瓷材料,钛酸钡是电子陶瓷元器件的基础原料,被称为电子陶瓷的支柱。自从1942年Wainer等发现钛酸钡具有较好的介电和压电性能以来,作为一种性能优异的铁电材料,其近几十年来发展迅速。然而,钛酸钡的居里温度在120℃左右,导致了其在室温下的应用受到限制。BZT-BCT作为一种新型二元系陶瓷材料,在准同型相界(简称MPB)附近显示出了很高的压电性能,其d33能够达到～600pC/N,可与铅基陶瓷材料相媲美。然而由于其仍旧存在一系列不尽如人意的缺点,影响着更大范围内的应用。本文采用传统固相法制备出具有良好电性能的(Ba0.85Ca0.15)(Zr0.1Ti0.9)O3(简称BCZT)无铅压电陶瓷。针对BCZT存在的烧结温度高、温度稳定性差等缺点,通过设计陶瓷体系和掺杂改性,来降低烧结温度并提高电性能的温度稳定性,为获得具有良好应用性能的无铅压电陶瓷提供候选材料。1、分别采用传统固相法制备了(Ba0.85Cao.15)(Zr0.1Ti0.9)O3-BiCo03(BCZT-BCO)、(Bao.85Ca0.15)(Zr0.1Ti0.9)O3-BiMnO3(BCZT-BMO)和(Ba0.85Ca0.15)(Zr0.1Ti0.9)03-BiAlO3(BCZT-BAO)陶瓷,系统研究了BiCoO3、BiMnO3和BiAlO3对(Ba0.85Ca0.15)(Zr0.1Tio.9)O3陶瓷的烧结温度、相结构、显微结构、介电性能、压铁电性能及应变性能的影响。主要结果如下：(1)当BiCoO3含量为0.006时,其烧结温度从1450℃降低到1380℃,此时获得最佳的电性能。同时在-60℃～80℃温度范围内,获得良好的温度稳定性,△C/C25℃=-2.49～0.52。最佳性能为：ρ=5.26g/cm3,d33=420pC/N,kp=0.45,Qm=144,S=0.639,Pr=6.985μC/cm2,εr=2908,tanδ=0.008,Tc=79℃。(2)当BiMnO3含量为0.003时,其烧结温度从1450℃降低到1380℃,此时获得最佳的电性能。同时在-60℃～80℃温度范围内,获得良好的温度稳定性,△C/C25℃=-0.84～0.66。最佳性能为：ρ=5.46g/cm3,d33=415pC/N,kp=0.46,Qm=134,S=0.513,Pr=8.982μC/cm2,εr=3358,tanδ=0.019,Tc=94℃。(3)当BiAlO3含量为0.008时,其烧结温度从1450℃降低到1300℃,此时获得最佳的电性能。同时在-60℃～80℃温度范围内,获得良好的温度稳定性,△C/C25℃=-0.78～0.7。最佳性能为：ρ=5.57g/cm3,d33=442pC/N,kp=0.42,S=0.699,Pr=9.38μC/cm2,εr=3217,tanδ=0.021,Tc=72℃。2、系统研究了BiMO3(M=Co、Mn、Al)对BCZT陶瓷性能的影响。研究表明：随着组分含量的变化,陶瓷内部发生了一系列从T相到R相的铁电相变行为,当相变行为发生在室温下时,室温下出现了类似的MPB区,这与优化的压电性有很大关联。综合分析了性能变化的原因,主要从微观离子结构上探讨了影响BCZT陶瓷性能的内部机理,为设计满足实际应用的具有低烧结温度、高压电性能以及良好温度稳定性的无铅压电陶瓷材料提供了理论上的指导。

全文目录


摘要  3-5
Abstract  5-10
第1章 绪论  10-16
  1.1 无铅压电材料概况  10
  1.2 钛酸钡(BT)基无铅压电陶瓷材料的研究进展  10-14
    1.2.1 BZT基无铅压电陶瓷材料  12-13
    1.2.2 BCT-BZT基无铅压电陶瓷材料  13-14
  1.3 本论文的目标及主要内容  14-16
第2章 BiCoO_3对(Ba_(0.85)Ca_(0.15))(Zr_(0.1)Ti_(0.9))O_3陶瓷性能的影响  16-36
  2.1 制备技术  16-17
  2.2 结构表征方法  17-18
    2.2.1 表观密度测试  17-18
    2.2.2 相结构分析  18
    2.2.3 显微形貌分析  18
  2.3 电性能测试  18-20
    2.3.1 相对介电常数  18
    2.3.2 压电性能  18-19
    2.3.3 铁电性能测试  19-20
    2.3.4 温度稳定性测试  20
  2.4 工艺条件对陶瓷的性能影响  20-25
    2.4.1 不同烧结温度对陶瓷相结构的影响  20-21
    2.4.2 不同烧结温度对陶瓷显微结构及致密性的影响  21-23
    2.4.3 不同烧结温度对陶瓷介电性能的影响  23
    2.4.4 不同烧结温度对陶瓷压电性的影响  23-24
    2.4.5 不同烧结温度对陶瓷铁电性的影响  24-25
  2.5 BiCoO_3含量对陶瓷性能的影响  25-32
    2.5.1 BiCoO_3含量对陶瓷相结构的影响  25-26
    2.5.2 BiCoO_3含量对陶瓷显微结构及致密性的影响  26-27
    2.5.3 BiCoO_3含量对陶瓷介电性能的影响  27-29
    2.5.4 BiCoO_3含量对陶瓷压电性能的影响  29-30
    2.5.5 BiCoO_3含量对陶瓷铁电应变性的影响  30-32
  2.6 BiCoO_3含量对陶瓷温度稳定性的影响  32-35
    2.6.1 BiCoO_3含量对介电稳定性的影响  32-33
    2.6.2 BiCoO_3含量对铁电稳定性的影响  33-34
    2.6.3 BiCoO_3含量对压电稳定性的影响  34-35
  2.7 本章小结  35-36
第3章 BiMnO_3对(Ba_(0.85)Ca_(0.15))(Zr_(0.1)Ti_(0.9))O_3陶瓷性能的影响  36-52
  3.1 制备技术  36
  3.2 工艺条件对陶瓷性能的影响  36-41
    3.2.1 不同烧结温度对陶瓷相结构的影响  36-37
    3.2.2 不同烧结温度对陶瓷显微结构及致密性的影响  37-38
    3.2.3 不同烧结温度对陶瓷介电性能的影响  38-39
    3.2.4 不同烧结温度对陶瓷压电性能的影响  39-40
    3.2.5 不同烧结温度对陶瓷铁电性能的影响  40-41
  3.3 BiMnO_3含量对陶瓷性能的影响  41-46
    3.3.1 BiMnO_3含量对陶瓷相结构的影响  41
    3.3.2 BiMnO_3含量对陶瓷显微结构及致密性的影响  41-43
    3.3.3 BiMnO_3含量对陶瓷介电性能的影响  43-44
    3.3.4 BiMnO_3含量对陶瓷压电性能的影响  44-45
    3.3.5 BiMnO_3含量对陶瓷铁电应变性能的影响  45-46
  3.4 BiMnO_3含量对陶瓷温度稳定性的影响  46-50
    3.4.1 BiMnO_3含量对陶瓷介电稳定性的影响  46-48
    3.4.2 BiMnO_3含量对陶瓷铁电稳定性的影响  48-49
    3.4.3 BiMnO_3含量对陶瓷压电稳定性的影响  49-50
  3.5 本章小结  50-52
第4章 BiAlO_3对(Ba_(0.85)Ca_(0.15))(Zr_(0.1)Ti_(0.9))O_3陶瓷性能的影响  52-70
  4.1 制备技术  52
  4.2 烧结温度对陶瓷性能的影响  52-56
    4.2.1 烧结温度对陶瓷相结构的影响  52-53
    4.2.2 烧结温度对陶瓷显微结构及致密性的影响  53-54
    4.2.3 烧结温度对陶瓷介电性的影响  54-55
    4.2.4 烧结温度对陶瓷压电性的影响  55-56
    4.2.5 烧结温度对陶瓷铁电性的影响  56
  4.3 BiAlO_3含量对陶瓷性能的影响  56-62
    4.3.1 BiAlO_3含量对陶瓷相结构的影响  57
    4.3.2 BiAlO_3含量对陶瓷显微结构及致密性的影响  57-58
    4.3.3 BiAlO_3含量对陶瓷介电性能的影响  58-59
    4.3.4 BiAlO_3含量对陶瓷压电性能的影响  59-60
    4.3.5 BiAlO_3含量对陶瓷铁电性能的影响  60-62
  4.4 BiAlO_3含量对陶瓷温度稳定性的影响  62-64
    4.4.1 BiAlO_3含量对介电稳定性的影响  62-63
    4.4.2 BiAlO_3含量对铁电稳定性的影响  63-64
    4.4.3 BiAlO_3含量对压电稳定性的影响  64
  4.5 不同组元对BCZT陶瓷性能的影响  64-68
    4.5.1 性能对比  64-65
    4.5.2 不同添加物对陶瓷性能影响的内部机理讨论  65-68
  4.6 本章小结  68-70
第5章 全文结论和进一步研究工作建议  70-72
  5.1 全文主要结论  70-71
  5.2 全文的新见解  71
  5.3 进一步工作的建议  71-72
参考文献  72-80
致谢  80-82
攻读硕士学位期间科研成果  82

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中图分类: > 工业技术 > 电工技术 > 电工材料 > 电工陶瓷材料 > 压电陶瓷材料
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