基于纳米前驱体的钛酸钡压电陶瓷的制备及其电学特性研究

摘要

压电材料是一类能够实现电能与机械能相互转换的功能材料，在工业生产和日常生活中都有着十分广泛的应用，主要包括实现供电系统、传感器和换能器的自驱动化等，在能源、电子行业都有着重要的实用价值。P ZT基压电陶瓷自发现以来就受到广泛的关注并占据了大部分压电材料市场。然而，由于铅基压电陶瓷在生产、使用和废弃处理过程均会对环境造成不可逆的破坏。因此，压电陶瓷的无铅化已成为压电材料发展的必然趋势，同时也是我国建设环境友好型社会的必然选择。本文在研究钛酸钡压电陶瓷压电特性的基础上，进一步探究了钛酸钡压电陶瓷的实际应用中的前景与发展趋势。采用液相法合成的超细二氧化钛颗粒与商用纳米碳酸钡作为纳米前驱体，通过固相法制备出钛酸钡压电陶瓷，并系统研究了烧结温度对其性能的影响。另外，通过将柔性材料(PDMS)和压电材料粉末进行复合制备了柔性复合压电薄膜，在保留了大部分压电性能的同时克服了易脆性，提高了其实用性。
　　本研究主要内容包括：⑴采用固相反应法制备钛酸钡压电陶瓷，研究了纳米前驱体和烧结温度对陶瓷的颗粒尺寸和性能的影响。研究结果表明，纳米前驱体对提升陶瓷的尺寸均匀性和致密性有着重要的作用。不同烧结温度对钛酸钡陶瓷的微观结构、纯度、颗粒尺寸和致密性等有着显著的影响，在烧结温度为1350 oC时，纯度、形貌(颗粒尺寸和致密性)和性能(介电常数、剩余极化强度和压电系数)都达到最大值：3533、16.24μC/c m2、420 p C/N。⑵通过旋涂法将钛酸钡粉末与PDMS进行复合制备了BaTiO3/PDMS柔性复合压电薄膜，并围绕不同钛酸钡粉末、不同的钛酸钡含量、不同膜厚以及掺碳改性四个方面对柔性复合压电薄膜进行深层次的研究其压电性能。研究显示固相合成的钛酸钡制备出来的压电薄膜的性能更好，其压电输出特性随BaTiO3含量的增加而增加，最大输出分别为9.0 V和5.2μA，随着薄膜厚度的增加其电压输出由2 V增大至6.5 V。此外，在同等条件下掺入适量（BaTiO3:炭黑为10：1）的炭黑可使压电薄膜性能达到最优，电压输出约为13.5 V。最后，利用压电薄膜整流对电容进行充电后驱动LED灯研究其实际应用的可行性并且通过多次循环测试研究其稳定性和持久性。

目录

声明

第一章 绪论

1. 1 引言

1. 2 无铅压电陶瓷概述

1. 3 钛酸钡压电陶瓷概述

1. 4 本论文主要研究内容

第二章 钛酸钡无铅压电材料的制备及表征方法

2. 1 引言

2. 2 实验原料和设备

2. 3 基于纳米前驱体的钛酸钡压电材料制备工艺流程

2. 4 压电材料性能表征方法

2. 5 本章小结

第三章 钛酸钡无铅压电陶瓷结构及性能研究

3. 1 引言

3. 2 实验概述

3. 3 结果与讨论

3. 4 本章小结

第四章 钛酸钡柔性复合压电薄膜制备及性能研究

4. 1 引言

4. 2 钛酸钡薄膜的制备

4. 3 钛酸钡压电薄膜的性能研究

4. 4 本章小结

第五章 总结与展望

5. 1 总结

5. 2 展望

参考文献

致谢

攻读硕士期间发表的论文及获得的成果