水系流延法制备织构化无铅压电陶瓷的性能研究

摘要

本文以K0.5Na0.5NbO3(简称KNN)和(Na0.8K0.2)0.5Bi0.5TiO3(简称NKBT)无铅压电陶瓷为主要研究对象，首先分别采用熔盐法和质子取代法制备了片状 Sr2Bi4Ti5O18（简称 S2BT）和片状 Nb2O5模板晶粒，然后以片状 S2BT和 Nb2O5为模板晶粒， KNN和 NKBT为基料，以水为熔剂，加入各种功能试剂制备流延浆料，最后采用上述流延浆料制备的流延膜片进行叠层、热压、烧结制备了 KNN和 NKBT织构化无铅压电陶瓷。
　　分别采用熔盐法和质子取代法制备片状 S2BT和 Nb2O5晶粒：首先采用熔盐法制备了具有各向异性片状结构的 S2BT晶体，利用 XRD，SEM等测试分析手段对熔盐反应产物的晶体结构和显微形貌进行了表征。研究结果表明：当采用 KCl-NaCl混合熔盐，熔盐与总反应物的质量比为1:1，1100℃保温3 h时，可以制备出纯的 S2BT粉体，扫描电镜照片显示 S2BT晶粒呈片状形貌，其晶粒长宽为5~25μm、厚度约为0.2μm左右，且分散性较好；XRD图谱显示晶粒在(00l)晶面择优生长；然后以分析纯的 K2CO3、Nb2O5为原料， NaCl为熔盐，熔盐与反应物总量质量比为1:1，采用熔盐法制备出片状 K4Nb6O17粉体，将所得的片状 K4Nb6O17粉体置6M的质子取代剂（HCl）溶液中反应50 h后，在450℃下保温3 h即可得到长35~60μm，宽15~40μm，厚约1μm，具有良好的各向异性片状形貌的 Nb2O5粉体。
　　采用水系流延工艺制备织构化流延膜片：分别以 KNN、NKBT为基体粉料，以 Nb2O5为模板，以水为熔剂，添加适量的分散剂、粘结剂、增塑剂及除泡剂制备流延浆料，采用水系流延工艺制备流延膜片，研究了分散剂、粘结剂及增塑剂的含量对流延浆料流延性能的影响。研究结果表明：在制备 KNN流延浆料时，当分散剂（PVP）、粘结剂（苯丙乳胶）、增塑剂（丙三醇）分别为5.5 wt％、13.5 wt%、5.5 wt%时，可制得固含量为55 wt%，均匀、悬浮性较好的流延浆料，并且通过流延成型制备了塑性较好、表面光滑、不开裂的流延膜片；在制备 NBT流延浆料时，分散剂（三乙醇胺）、粘结剂（苯丙乳胶）、增塑剂（丙三醇）R值（粘结剂与增塑剂用量的比值）分别为5 wt%、14 wt%、0.4时，可制得固含量为55 wt%，分散及悬浮性较好的流延浆料和塑性较好、质地均匀、表面光滑的不开裂、可任意卷曲的流延膜片。
　　KNN织构化陶瓷的制备及性能研究：以 S2BT为模板，采用 TGG法制备了 KNN织构化无铅陶瓷，研究发现随着温度的升高，陶瓷的线收缩率和体积密度都表现出先增大后减小的趋势，在1120℃保温5h时，陶瓷的线收缩率和体积密度达到最大，分别为11.25%和4.36 g/cm3；陶瓷的织构度也表现出类似的的规律，在1120℃保温5 h时陶瓷的织构度达到最大为0.55，同时在1120℃保温5h时织构化 KNN无铅压电陶瓷表现出较好的压电和介电性能：平行于流延方向的压电常数 d33=103 pC/N，机电耦合系数 kP=39.4%，介电常数εT33/ε0=486，剩余极化强度 Pr=41.46μC/cm2，矫顽场 Ec=1.96 kV/mm；垂直于流延方向的 d33=72 pC/N， kP=35.5%，εT33/ε0=456, Pr=30.15μC/cm2， Ec=1.89 kV/mm。
　　以片状 Nb2O5粉体为模板晶粒，固相法合成的 KNN粉体为基料，采用流延工艺制备出较高取向度的织构化 KNN无铅压电陶瓷，研究了模板含量、烧结温度和保温时间等工艺参数对织构化 KNN陶瓷显微结构、压电性能和介电性能的影响。研究结果表明：当模板含量为10 wt%，烧成温度和保温时间分别为1120℃和5 h时，可以获得较高织构度(f=0.78)的KNN无铅压电陶瓷，并具有优异的压电和介电性能：平行于流延方向的d33=141 pC/N，εT33/ε0=503和 kp=39.7%， Pr=32.30μC/cm2， Ec=1.57 kV/mm.；垂直于流延方向的 d33=112 pC/N,εT33/ε0=454和 kp=37.5%， Pr=28.95μC/cm2， Ec=1.86kV/mm。
　　NBT织构化陶瓷的制备及性能研究：以熔盐法和质子取代法制备的片状 Nb2O5粉体为模板晶粒，固相法合成的 NKBT粉体为基料，分别采用固相压制成型（干法）和流延成型（湿法）工艺制备出具有较高取向度的织构化 NKBT无铅压电陶瓷，研究了二种成型工艺对 NKBT无铅压电陶瓷的显微结构、压电性能和介电性能的影响。研究结果表明：采用湿法工艺制备的织构陶瓷的各项性能优于干法工艺，采用湿法工艺在1150℃保温5h时，可以获得较高织构度(f=0.66)的 NKBT无铅压电陶瓷，并具有优异的压电和介电性能：湿法工艺 d33=149 pC/N，εT33/ε0=912，kp=29.4%，Pr=18.18μC/cm2，Ec=2.87 kV/mm；干法工艺 d33=129 pC/N,εT33/ε0=746，kp=28.7%， Pr=15.96μC/cm2， Ec=2.91 kV/mm。

目录

声明

1 文献综述

1.1 压电材料的概述

1.2 压电材料及其分类

1.3 压电陶瓷材料的应用

1.4 无铅压电陶瓷研究意义及分类

1.5 无铅压电陶瓷的研究进展

1.6 模板晶粒的制备方法

1.7 流延成型工艺的分类

1.8 本研究总体思路和研究意义

2 实 验

2.1 实验原料

2.2 实验仪器与设备

2.3 陶瓷流延基料的制备工艺

2.4 熔盐法制备片状 S2BT的工艺流程

2.5 熔盐法与质子取代法制备片状 Nb2O5的工艺流程

2.6 织构化陶瓷的制备工艺流程

2.7 样品结构及其性能表征方法

3 熔盐法制备片状模板晶粒的研究

3.1 熔盐法制备片状 Sr2Bi4Ti5O18晶粒

3.2 熔盐法和质子取代法制备片状 Nb2O5粉体

4 水系流延法制备铌酸钾钠织构化无铅压电陶瓷及其性能

4.1 铌酸钾钠织构化压电陶瓷水系流延浆料的制备

4.2 铌酸钾钠织构化无铅压电陶瓷的性能研究

5 水系流延法制备钛酸铋钠织构化无铅压电陶瓷及其性能

5.1 钛酸铋钠织构化压电陶瓷水系流延浆料的制备

5.2 钛酸铋钠织构化无铅压电陶瓷的性能研究

6 结 论

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文和专利