论文部分内容阅读
钛酸铋钠Bi0.5Na0.5TiO3 (BNT)基压电陶瓷作为一种A位离子复合取代的钙钛矿型铁电体,目前正受到广泛研究,被认为是最有潜力的无铅材料体系之一。本文采用传统固相烧结方法制备陶瓷样品,借助现代测试与分析技术,系统地研究了制备工艺、取代改性以及加入第三元组分等因素对BNT基陶瓷材料物相结构、显微组织和压电、介电性能的影响。首先制备了(1-x) Bi0.5Na0.5TiO3-xBaTiO3 (BNT-BT)二元系无铅压电陶瓷,研究了烧成工艺以及BaTiO3 (BT)组分变化对BNT-BT陶瓷样品相结构、显微组织以及压电、介电性能的影响规律。通过对试样微观形貌的观察,以及对密度、相结构和压电、介电性能的测试,得到了最佳烧成条件和综合性能最佳的准同型相界(Morphotropic Phase Boundary, MPB)附近的陶瓷配方。研究表明：(1)预烧温度较低时易产生杂相,不利于主晶相的合成,预烧温度过高时,样品较硬、粉碎困难,造成后面烧结时活性降低,不利于成瓷,合适的预烧温度有助于减少气孔和缺陷,使晶界明显、晶粒尺寸均匀；适当提高烧结温度,有利于提高陶瓷样品的致密度和电性能；对于BNBT6,850℃预烧、烧结温度为1160℃(保温2h)时陶瓷样品的性能较优。(2)X射线衍射(XRD)分析表明,离子半径较大的钡离子Ba2+部分取代钠离子Na+和铋离子Bi3+进入晶格中占据A位,均形成单一的钙钛矿结构固溶体,且使衍射峰向低角度方向偏移,这表明晶胞体积变大；扫描电镜(SEM)照片显示适量的Ba2+取代有助于细化晶粒,提高烧结性能和陶瓷的致密度；介电温谱曲线表明Ba2+能降低居里点处的介电常数峰值,使居里温度向低温方向偏移,提高介电常数,表现出典型的弛豫特性；随着BT含量的增加,d33、Kp和ε33T/ε0均先增大后减小,而tanδ呈先减小后增大的趋势。结合陶瓷的显微结构和电性能两个方面的因素,确定BT含量在x=0.06～0.10(mol)为该体系的准同型相界范围,三方相、四方相共存,呈现典型的弛豫特性,且x=0.06时,陶瓷样品0.94BNT-0.06BT (BNBT6)的综合性能较好,此时陶瓷的体积密度为5.664g/cm3,压电常数d33为120pC/N,相对介电常数ε33T/ε0为600,平面机电耦合系数Kp为0.202,介电损耗tanδ为2.1%、机械品质因数Qm为205。(3) BNBT6是一种弛豫性铁电陶瓷材料,机电耦合系数各向异性大,在超声领域有较好的应用前景。但随着BT的引入,退极化温度Td降低,使陶瓷的烧结温度变窄、温度稳定性变差,使该体系陶瓷的应用受到了影响。其次,在BNBT6基础上分别引入钛酸铋锂(BLT)和钛酸铋钾Bi0.5K0.5TiO3(BKT),配方分别为：(0.94-x)BNT-0.06BT+xBLT和(0.94-y)BNT-0.06BT+yBKT,研究了BLT和BKT的含量变化对陶瓷相结构、微观形貌以及电性能的影响规律。研究表明：锂离子Li+和钾离子K+部分取代A位的钠离子Na+后,都能完全扩散到晶格中形成结构单一的钙钛矿型固溶体,锂离子Li+半径较Na+小,使衍射峰向高角度偏移,说明晶胞体积变小,而钾离子K半径较Na+大,使衍射峰向低角度偏移,表明晶胞体积变大；在所研究的组成范围内,所有的陶瓷样品大都较致密,气孔少,表现出良好的烧结性能,Li+含量较高时,晶体可能出现晶粒异常增大,这可能与Li+的引入能明显降低烧结温度这一特性有关。Li+的引入没有改变BNBT6的三方-四方准同型相界,随着Li+含量的增加相对介电常数ε33T/ε0和介质损耗tanδ呈现一直增大的趋势,压电常数d33和平面机电耦合系数KP的变化趋势都是先增大后减小,x为0.05时,1110℃烧结的样品压电常数达到最大,此时d33、KP、ε33T/ε0、tanδ分别为128pC/N、0.22、800、2.5%。K+的含量小时没有改变BNBT6的三方-四方准同型相界,但y等于0.09时晶体转变成四方相,ε33T/ε0、tanε、d33和Kp在相变时变化明显。适量的BLT和BKT固溶,有利于陶瓷压电性能的提高。但是三元体系的相变较为复杂,特别是BNT-BT-BKT的准同型相界还不确定,掺杂后的铁电弛豫特性还待研究,还需要进一步改进配方、优化工艺、完善数据,以期获得综合性能较为优异的BNT-BT-BLT和BNT-BT-BKT两个三元系无铅压电陶瓷。