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压电陶瓷是一类极为重要的功能材料,其应用已遍及人类日常生活及生产各个角落。目前,全球在大最使用的压电陶瓷材料仍是传统的含铅压电陶瓷,其中铅元素含量高达70%以上。由于铅的易挥发性,在生产、制备、使用及废弃处理中都会对环境造成极大的污染。随着环保意识的日益深入,国际上正在积极通过法律、法规、政府指令等形式对含铅的电子产品加以禁止。目前,主要的无铅压电陶瓷体系有BT、BNT、Bi层结构及铌酸盐基压电陶瓷。在这些无铅压电陶瓷体系中,(Bi0.5Na0.5)TiO3-BaTiO3(BNBT)系和Na0.5K0.5NbO3系陶瓷是目前所报道的无铅压电陶瓷材料中最有前景的压电陶瓷材料。
BNBT陶瓷是研究较为成熟的二元体系无铅压电陶瓷,它采用传统的陶瓷制备工艺,当陶瓷配方在准同型相界附近时,其压电常数d33能稳定在125pC/N左右,为了进一步提高BNBT陶瓷的性能,探讨陶瓷改性的机理和规律,本文在前人研究的基础上以性能较好的0.94Bi0.5Na0.5TiO3-0.06 BaTiO3为基体,选用了二价离子(Mg2+,Ca2+,Sr2+)对其进行掺杂改性,采用液相包覆法制备了一系列0.94 Bi0.5Na0.5TiO3-0.06 Ba1-xAxTiO3(A=Mg2+,Ca2+,Sr2+;简称为BNBAT)陶瓷体系,对其晶相、微观结构、介电及压电性能进行了深入的探讨。
所制备的BNBAT系陶瓷样品的介电常数和介电损耗随温度变化波动较大,陶瓷的介电温度稳定性差;所有样品都具有较高的介电常数,表现出弛豫铁电体的特征;掺入Ca2+和Sr2+后,陶瓷的相变温度Tm都稍有降低,当Ca2+和Sr2+含量达到0.1mol时,Tm由未掺杂前的288℃降至最低为234℃和230℃。而Mg2+的加入能提高陶瓷的Tm,当Mg2+含量为0.06mol时,相变温度(Tm)达到最大为378℃。陶瓷样品的压电常数d33随Ca2+,Sr2+含量的增加而增高,在Ca2+,Sr2+含量为6mol%和4mol%时达到最大,为140.5 pC/N和139.8pC/N。但掺入Mg2+后,压电常数反而下降。所获得的最佳配比和最佳性能参数为:BNBMT4(Tm=281℃,εr=820,tanδ=0.056,d33=117.9pC/N,kp=0.16l,kt=0.193,Qm=104.2,Np=2156);BNBCT6(Tm=270℃,εr=1452,tanδ=0.041,d33=140.5pC/N,kp=0.152,kt=0.151,Qm=99.5,Np=2296);BNBST4(Tm=263℃,εr=1696,tanδ=0.025,d33=139.8pC/N,kp=0.189,kt=0.218,Qm=109.4,Np=2450)。
Na0.5K0.5NbO3(KNN)系陶瓷以其优异的性能被认为是最重要的可取代铅基压电陶瓷的无铅体系之一。到目前为止,KNN基陶瓷由于在制备过程中,难以烧结,从而使其压电性能相对于PZT基压电陶瓷来说,还存在较大差距,本论文在前人研究的基础上,将较易烧结的 BNBT陶瓷与较难烧结的KNN陶瓷相结合,分别制备了(1-x)(0.94Bi0.5Na0.5TiO3-0.06BaTiO3)-xK0.5Na0.5NbO3(x=0~0.20;样品编号为BNBT-KNN100x)和(1-x)Na0.5K0.5NbO3-x(0.94Bi0.5Na0.5TiO3-0.06 BaTiO3)(x=0~0.10;样品编号为KNN-BNBT100x)两大陶瓷体系,深入探讨了陶瓷的晶相、微观结构、介电、压电性能变化,并系统研究制备工艺对陶瓷的压电性能影响。
从XRD分析得出,所制备的BNBT-KNN100x和KNN-BN-BT100x两大陶瓷体系都形成了单一的钙钛矿结构,两大陶瓷体系分别在x=0.01~0.03和x=0.02~0.03时形成了明显的准同型相界;从介电图中可以看出,BNBT-KNN100x陶瓷体系表现出明显的弥散相变特征。随着KNN含量的增加,介电峰值愈加宽化。该陶瓷体系的相变温度随KNN含量的增加先减小后增大;KNN-BNBT100x陶瓷体系的介电峰较为尖锐,没有明显的弥散相变特征,BNBT的加入使陶瓷的相变温度逐渐降低;BNBT-KNN100x陶瓷的压电常数在KNN含量为3mol%时达到最大为162pC/N,此时陶瓷的平面机电耦合系数kp取得最大值为35.2%。KNN-BNBT100x陶瓷的压电常数在BNBT含量为2mol%时达到最大为176pC/N,此时平面机电耦合系数(kp)和厚度机电耦合系数(kt)分别达到最大为42%和34.5%。