低温烧结高性能锆钛酸钡钙基无铅压电陶瓷

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环境协调性的发展要求寻找可替代铅基材料的无铅压电陶瓷材料,这是目前陶瓷研究领域的一个热点。锆钛酸钡钙(BCZT)陶瓷具有很高的压电性能,是一类很有潜力的无铅压电材料。本论文基于BCZT基无铅压电陶瓷,通过添加CuO助烧、KNNLST体系复合、Mn离子掺杂等手段对其烧结行为和电学性能等方面进行改性,得到了性能更优异的无铅压电陶瓷。以BCZT陶瓷为基,添加CuO助烧剂低温烧结制备了无铅压电陶瓷。CuO助烧降低了陶瓷烧结温度,使陶瓷在1350oC即可烧结,使陶瓷更加致密。Cu2+部分取代Ti4+造成晶格畸变,使陶瓷相结构由菱方相向四方相转变。掺杂少量CuO的陶瓷处于菱方相-四方相两相共存的状态,陶瓷具有优异的电学性能:压电常数d33=340pC/N,室温介电常数εr=3147,介电损耗tanδ=0.025,居里温度Tc=92oC。因此适当添加CuO能够改善陶瓷烧结,提高陶瓷的电学性能。以BCZT陶瓷为基,通过与KNNLST体系复合制备了无铅压电陶瓷。KNNLST的掺杂能够促进晶粒生长,使陶瓷更加致密。KNNLST掺杂造成晶格畸变,使得菱方-四方多形态相变温度TR-T降低至室温附近。掺杂少量KNNLST的陶瓷具有优异的压电性能:压电常数d33=464pC/N,平面机电耦合系数kp=0.44。以BCZT陶瓷为基,掺杂Mn离子制备了无铅压电陶瓷。少量的Mn能够完全溶入BCZT晶格形成纯的钙钛矿结构,造成晶格畸变。Mn的掺杂使得菱方-四方多形态相变温度TR-T降低至室温附近。x=0.005时,陶瓷具有优异的压电性能:d33=380pC/N。此外,研究了溶胶凝胶法制备BNT基无铅压电陶瓷。采用溶胶-凝胶方法,制备了Li掺杂的BNT-BKT-BT陶瓷。溶胶-凝胶方法制备的前驱体粉体为纳米级,烧结温度降低。Li+的掺入,进一步改善了陶瓷的烧结,同时提高了陶瓷的电学性能。在Li+含量x=0.05时陶瓷有优异的电学性能:压电常数d33=192pC/N,机电耦合系数kp=0.30,介电常数εr=1239。
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