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NBT-KBT-BT三元无铅压电陶瓷的准同型相变与电性能

作　者: 曹文萍
导　师: 李伟力
学　校: 哈尔滨工业大学
专　业: 材料物理与化学
关键词: 无铅压电陶瓷 NBT-KBT-BT 准同型相界 溶胶-凝胶
分类号: TM282
类　型: 硕士论文
年　份: 2012年
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内容摘要


钛酸铋钠(Na0.5Bi0.5TiO3，简称NBT)是一类具有ABO3结构的铁电材料，室温下具有较大的剩余极化强度，Pr=38μC/cm2，居里温度较高，Tc=320oC，铁电性能优异，被认为是最有希望代替铅基材料、应用前景最广阔的无铅压电材料之一。但是纯Na0.5Bi0.5TiO3由于其矫顽场较大（Ec=73kV/cm），压电性能无法充分显现出来，d33最大为64pC/N。为了降低矫顽场，提高其压电性能，本文利用溶胶-凝胶工艺和燃烧法，将钛酸铋钾（KBT）、钛酸钡（BT）固溶到NBT中，形成NBT-KBT-BT三元陶瓷体系，详细研究了该三元体系的成分组成、元素掺杂对相结构及电性能的影响。利用XRD精细扫描和电滞回线测试结果发现，成分在四方相区的（1-x）[0.82NBT-0.18KBT]-xBT体系室温下随x的微小变化，存在复杂的相结构。当x=0.05时，相结构为纯T相，并且具有标准的电滞回线形状。随着x的增加，当x=0.06和0.07时，尽管XRD结果没有明显变化，但电滞回线出现反铁特征，表明陶瓷此时为四方反铁电相。当x减小到0.04时，陶瓷不仅出现双电滞回线，并且XRD衍射峰数量增多，又由于该成分接近MPB区，表明陶瓷为T相和类T相两相共存，此成分下得到最高的压电性能：S=0.18%，d33=540pm/V。通过研究成分在MPB区附近的（1-4x）NBT-3xKBT-xBT体系和（1-2x）NBT-xKBT-xBT体系发现：1)利用Sol-Gel工艺及燃烧法制备的NBT-KBT-BT体系陶瓷的晶粒尺寸很小，大约为1-2um，随着KBT、BT含量增加，晶粒尺寸有变小的趋势。此外，在陶瓷的表面观察发现存在晶须状结构。2)两个体系都存在类T相和类R相，并且类T相的介电、压电性能比类R相高，其中在（1-2x）NBT-xKBT-xBT体系中当x=0.05时，陶瓷相结构为类T相和类R相共存，此成分下得到最高的电性能：S=0.4%，d33=655pm/V。La、Zr的掺杂对0.90NBT-0.05KBT-0.05BT陶瓷的相结构及电性能的有很大影响， La元素掺杂能明显降低NBT-KBT-BT的介电损耗，在0.90(N0.5B0.5)（1-x）LxT-0.05（K0.5B0.5）（1-x）LxT-0.05BT体系中，当x=0.020时介电损耗tanδ=0.043，且在x=0.015处的压电系数能达到410pm/V。Zr元素掺杂提高了陶瓷的剩余极化强度，在0.90(N0.5B0.5)T（1-x）Zx-0.05(K0.5B0.5)T（1-x）Zx-0.05BT体系中，当x=0.005时，2Pr=42μC/cm2，增强了其铁电性能，此时压电系数为343pm/V；当x>0.010时，陶瓷晶粒尺寸明显降低。

全文目录


摘要  4-5
Abstract  5-7
目录  7-10
第1章 绪论  10-23
  1.1 课题背景及研究的目的和意义  10-11
  1.2 NBT 基无铅压电陶瓷的研究现状  11-18
    1.2.1 NBT 体系  12-13
    1.2.2 BNT-BT 体系  13-14
    1.2.3 BNT-KBT 体系  14-15
    1.2.4 BNT-KBT-BT 体系  15-18
  1.3 NBT-KBT-BT 陶瓷准同型相变  18-20
    1.3.1 准同型相界  18-19
    1.3.2 NBT-KBT-BT 相图  19-20
    1.3.3 NBT-KBT-BT 压电效应的微观解释  20
  1.4 NBT-KBT-BT 陶瓷的制备工艺  20-21
    1.4.1 固相合成法  21
    1.4.2 水热合成法  21
    1.4.3 溶胶-凝胶法  21
  1.5 本文主要研究内容  21-23
第2章 材料的制备及试验方法  23-27
  2.1 实验材料及方法  23-24
    2.1.1 NBT-KBT-BT 溶胶凝胶合成材料  23
    2.1.2 NBT-KBT-BT 溶胶的制备  23-24
    2.1.3 NBT-KBT-BT 陶瓷的制备  24
  2.2 试验分析方法  24-27
    2.2.1 XRD 物相分析  24
    2.2.2 Raman 光谱分析  24
    2.2.3 组织形貌观察  24-25
    2.2.4 电性能测量与分析  25-27
第3章 T 相区 NBT-KBT-BT 陶瓷结构与性能  27-38
  3.1 引言  27
  3.2 T 相区 NBT-KBT-BT 陶瓷的相结构  27-30
    3.2.1 (1-x)[0.82NBT-0.18KBT]-xBT 陶瓷 XRD 分析  27-30
    3.2.2 (1-x)[0.82NBT-0.18KBT]-xBT 陶瓷 Raman 光谱分析  30
  3.3 NBT-KBT-BT 陶瓷的电性能  30-36
    3.3.1 (1-x)[0.82NBT-0.18KBT]-xBT 陶瓷介电性能  30-33
    3.3.2 (1-x)[0.82NBT-0.18KBT]-xBT 陶瓷铁电性能  33-34
    3.3.3 (1-x)[0.82NBT-0.18KBT]-xBT 陶瓷压电性能  34-36
  3.4 本章小结  36-38
第4章 MPB 附近 NBT-KBT-BT 陶瓷结构与性能  38-54
  4.1 引言  38
  4.2 MPB 附近 NBT-KBT-BT 陶瓷的相结构及形貌  38-43
    4.2.1 MPB 附近 NBT-KBT-BT 陶瓷 XRD 分析  38-40
    4.2.2 MPB 附近 NBT-KBT-BT 陶瓷 Raman 光谱分析  40-41
    4.2.3 MPB 附近 NBT-KBT-BT 陶瓷 SEM 分析  41-43
  4.3 (1-2x)NBT-xKBT-xBT 体系陶瓷的电性能  43-47
    4.3.1 (1-2x)NBT-xKBT-xBT 陶瓷介电性能  43-44
    4.3.2 (1-2x)NBT-xKBT-xBT 陶瓷铁电性能  44-46
    4.3.3 (1-2x)NBT-xKBT-xBT 陶瓷压电性能  46-47
  4.4 (1-4x)NBT-3xKBT-xBT 体系陶瓷的电性能  47-52
    4.4.1 (1-4x)NBT-3xKBT-xBT 陶瓷介电性能  47-48
    4.4.2 (1-4x)NBT-3xKBT-xBT 陶瓷铁电性能  48-50
    4.4.3 (1-4x)NBT-3xKBT-xBT 陶瓷压电性能  50-52
  4.5 本章小结  52-54
第5章 NBT-KBT-BT 陶瓷掺杂改性研究  54-68
  5.1 引言  54
  5.2 La 掺杂 NBT-KBT-BT 陶瓷的结构与电性能  54-61
    5.2.1 0.90(NB)_((1-x))LxT-0.05(KB)_((1-x))L_xT-0.05BT 陶瓷相结构及形貌  54-57
    5.2.2 0.90(NB)_((1-x))LxT-0.05(KB)_((1-x))L_xT-0.05BT 陶瓷电性能分析  57-61
  5.3 Zr 掺杂 NBT-KBT-BT 陶瓷的结构与性能  61-67
    5.3.1 0.90(NB)T_((1-x))Z_x-0.05(KB)T_((1-x))Z_x-0.05BT 陶瓷的相结构及形貌  61-63
    5.3.2 0.90(NB)T_((1-x))Z_x-0.05(KB)T_((1-x))Z_x-0.05BT 陶瓷电性能分析  63-67
  5.4 本章小结  67-68
结论  68-69
参考文献  69-74
致谢  74

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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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