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钛酸铋钠钛酸钡基无铅压电陶瓷的研究
作 者: 刘会平
导 师: 黄新友
学 校: 江苏大学
专 业: 材料学
关键词: 无铅压电陶瓷 压电常数 (Na0.5Bi0.5)TiO3 固相法 溶胶-凝胶法 晶粒生长
分类号: TQ174
类 型: 硕士论文
年 份: 2006年
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内容摘要
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借助SEM，XRD以及TG-DSC等测试手段，采用正交设计实验、BaCO3单因素变量法掺杂实验、La2O3单因素变量法掺杂实验、NaNbO3单因素变量法掺杂实验、MnCO3单因素变量法掺杂实验系统研究了各组分对(Na0.5Bi0.5)TiO3（简称BNT）无铅压电陶瓷压电性能、介电性能、显微结构和烧结温度的影响，探讨了各组分对BNT压电陶瓷性能的影响机理，为研制高压电常数BNT系无铅压电陶瓷提供依据。本课题采用固相法研制出了压电常数d33为166×10-12C／N，介电常数1509，介电损耗为3.7％，烧结温度为1140℃，低矫顽场，高剩余极化强度的BNT系无铅压电陶瓷。Ba2+掺杂后，进行A位取代，由于离子半径略有差别，晶格膨胀，产生畸变，有利于晶格自发极化的转向，即按电场方向自发极化定向排列的程度增加，从而提高了它的压电活性，介电性能也有所改善。根据SEM观察显示，钡离子的加入起到抑制晶粒长大的作用，且随钡离子含量的增加，这种抑制作用也更加明显。钡离子掺杂降低了材料的居里温度。根据晶体化学的基本原则，在化合价相等的前提下，取代离子更倾向于替代那些半径与其相似的离子。所以La3+最有可能进入A位取代Bi3+，增加了A位阳离子排布的杂乱性，导致了体系的弛豫铁电性更加明显，使得弥散相变温度（TD）向高温区移动。NaNbO3在室温下属单斜结构，而BNT属三方结构，由于本实验中NaNbO3含量较少，没有出现三方—单斜准同型相界。随着NaNbO3含量的增加，晶体结构的晶面间距略有增大。作为施主掺杂离子，Nb5+的掺入，促进晶粒发育，产生A位空位，电畴结构易于活动，因此相对于纯（BNBT6）压电陶瓷，在一定掺杂量范围内提高材料的压电性能。过量的Nb2O5偏析于晶界，阻止晶界移动，抑制晶粒生长，从而形成细晶结构，降低材料的矫顽场，提高了居里温度。随着NaNbO3含量的增加，晶粒间出现粘连现象的烧结温度降低。Mn2+掺杂对BNT晶胞参数和显微结构的影响与稀土氧化物相类似。Mn2+在晶格中的位置较复杂，可能还有B位取代，与相同条件下的BNT相比，晶粒尺寸增大，居里温度也随着掺杂量的增加迅速降低。根据SEM分析，Mn2+的掺入对Bi3+有排斥作用，加重了氧化铋的挥发，特别是表层挥发，导致TiO2的出现。采用溶胶—凝胶法研究了(Na0.5Bi0.5)0.94Ba0.06TiO3粉体的制备，利用溶胶—凝胶法制备的BNBT6粉体，采用单因素变量法研究了NaNbO3，MnCO3掺杂对其性能的影响。研制了压电常数为136×10-12C／N，介电常数为1149，介电损耗2.6％的无铅压电陶瓷。与传统固相法相比，采用溶胶—凝胶工艺扩展了BNT系压电陶瓷的烧结温区，降低矫顽场。
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全文目录
摘要 5-7
ABSTRACT 7-12
第一章 绪论 12-25
1.1 压电材料 12-16
1.1.1 压电陶瓷 12-14
1.1.2 压电机理以及压电性能表征 14-15
1.1.3 压电陶瓷的应用 15-16
1.2 开发无铅压电陶瓷材料的必要性 16-18
1.3 典型无铅压电陶瓷材料及其发展现状 18-20
1.3.1 BaTiO_3基无铅压电陶瓷 18
1.3.2 铌酸盐系无铅压电陶瓷 18-19
1.3.3 铋层状结构无铅压电陶瓷 19
1.3.4 钛酸铋钠(Bi_(1／2)Na_(1／2)TiO_3)系无铅压电陶瓷 19-20
1.4 BNT晶体结构和基本性质 20-21
1.5 溶胶凝胶法简介 21-23
1.5.1 溶胶凝胶法特点 21-22
1.5.2 溶胶—凝胶法基本原理 22-23
1.5.3 溶胶凝胶法制备BNT无铅压电陶瓷的研究 23
1.6 本课题的研究目的、研究背景、研究内容 23-25
第二章 传统固相法BNT系无铅压电陶瓷的研究 25-59
2.1 实验过程及设计 25-29
2.1.1 实验设计 25
2.1.2 实验原料 25
2.1.3 实验配方 25-27
2.1.4 陶瓷样品制备 27-28
2.1.5 性能测试 28-29
2.1.6 结构分析 29
2.1.7 实验设备 29
2.2 正交设计实验 29-37
2.2.1 不同烧结温度下各配方性能 29-31
2.2.2 实验结果处理与分析 31-34
2.2.3 讨论 34-36
2.2.4 正交设计实验小结 36-37
2.3 不同产地氧化铋对比实验 37
2.3.1 不同烧结温度下各配方的性能 37
2.3.2 实验结果分析 37
2.3.3 氧化铋对比实验小结 37
2.4 BaTiO_3单因素变量法掺杂实验 37-42
2.4.1 不同烧结温度下各配方性能 37-39
2.4.2 实验结果分析 39-42
2.4.3 BaCO_3掺杂小结 42
2.5 La_2O_3单因素变量法掺杂实验 42-47
2.5.1 不同烧结温度下各配方的性能 42-45
2.5.2 实验结果分析 45-47
2.5.3 实验小结 47
2.6 NaNbO_3单因素掺杂实验 47-53
2.6.1 各烧结温度的性能 47-49
2.6.2 实验结果分析 49-53
2.6.3 NaNbO_3掺杂小结 53
2.7 MnCO_3掺杂单因素实验 53-59
2.7.1 各温度烧结性能参数 53-55
2.7.2 实验结果分析 55-58
2.7.3 MnCO_3掺杂小结 58-59
第三章 BNBT6超细粉体掺杂改性的研究 59-79
3.1 实验过程及设计 59-61
3.1.1 实验设计 59
3.1.2 实验原料 59
3.1.3 BNBT6粉体制备实验流程 59-60
3.1.4 实验配方 60
3.1.5 陶瓷样品制备 60-61
3.1.6 性能测试 61
3.1.7 结构分析 61
3.1.8 实验设备 61
3.2 溶胶形成温度影响实验 61-68
3.2.1 不同烧结温度下各配方的性能 61-64
3.2.2 实验结果分析 64-67
3.2.3 实验小结 67-68
3.3 NaNbO_3单因素掺杂实验 68-73
3.3.1 不同烧结温度下各配方的性能参数 68-70
3.3.2 实验结果分析 70-73
3.3.3 实验小结 73
3.4 MnCO_3单因素掺杂实验 73-79
3.4.1 不同烧结温度下各配方性能 73-75
3.4.2 实验结果分析 75-78
3.4.3 MnCO_3掺杂实验小结 78-79
第四章 结束语 79-81
4.1 结论 79-80
4.2 存在问题以及以后的研究方向 80-81
参考文献 81-85
致谢 85-86
在读期间发表的论文 86
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中图分类: > 工业技术 > 化学工业 > 硅酸盐工业 > 陶瓷工业
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