钛酸铋钠基无铅压电陶瓷的制备、性能与弛豫相变研究

摘要

钛酸铋钠（Na0.5Bi0.5TiO3，简称NBT）是一类钙钛矿型的A位离子复合取代铁电体，其居里温度为320℃，在室温下具有很强的铁电性，被认为是无铅压电陶瓷最有希望的候选材料之一。 本论文分别采用固溶改性、离子取代改性和制备工艺改性三种方法制备了新型NBT基无铅压电陶瓷体系，对其相结构、显微结构、介电性、压电性和铁电性进行了细致的研究，并结合实验结果探讨了NBT基陶瓷的弛豫相变特性。 （1）通过对固溶改性体系陶瓷（1-x）（Na0.5Bi0.5）0.74Sr0.26TiO3-xNaNbO3（NBSTNN100x）的研究发现，NN的引入没有改变基体材料的晶体结构，随着NN含量的增加，陶瓷晶粒尺寸增大；介电峰向低温端移动，且逐渐转变为只存在一个低温介电反常峰，介电峰宽化，表现出典型弛豫型铁电体特征；陶瓷的介电常数εr、介电损耗tgδ、矫顽场Ec、剩余极化强度Pr和饱和极化强度Ps均有所下降，当x=0.10时陶瓷的各项性能参数为：Tc=110.9℃，εr=2843.88，tgδ=0.0338，Ec=1.52KV/mm，Pr=8.05μc/c㎡，Ps=18.42μc/c㎡. （2）同价离子A位复合取代的（Na0.97-xKxLi0.03）0.5Bi0.5TiO3（NBTKL100x）体系陶瓷，随着K+含量的增加，陶瓷逐渐转变为三方-四方相共存结构，晶粒尺寸明显细化。介电温谱曲线存在两个介电反常峰，随着K+含量的增加，介电常数峰值εm逐渐增大，铁电相-反铁电相相变温度Td向低温端移动，反铁电相-顺电相相变温度Tm向高温端移动，具有典型弛豫型铁电体特征。K+含量增加可有效降低陶瓷矫顽场，在x=0.25时，εr=6636.45，Tm=335.1℃，d33=80pC/N，Ec=1.40KV/mm，Pr=10.99μc/c㎡，Ps=29.35μc/c㎡，表现出优异的综合性能。 （3）在0.97Na0.5Bi0.5TiO3-0.03K0.5Na0.5NbO3基础固溶体系中引入稀土离子La3+进行掺杂改性（0.97NBLT-0.03KNN），并采用冷等静压成型工艺制备了具有微晶结构的致密陶瓷。在掺杂范围内（0.015≤x≤0.105），La3+可以完全进入陶瓷晶格。随着La3+掺杂量的增加，晶粒尺寸逐渐减小且呈弥散分布，陶瓷的弛豫特征愈明显，退极化温度Td下降，居里温度Tm提高，介电常数εr、介电损耗tgδ和压电常数d33减小；陶瓷具有弥散相变和频率色散特征，具有较大的弥散性指数α（>1.67），为典型的弛豫型铁电体。冷等静压成型工艺能显著提高陶瓷强度，降低烧结温度，细化晶粒，改善材料的介电、压电性能。等静压成型0.97NBLT-0.03KNN体系陶瓷当掺杂量为0.015时，压电、介电性能达到最佳：εr=2246.22，tgδ=0.041，Tm=316.7℃，α=1.83，d33=88pC/N。

目录

文摘

英文文摘

声明

1 绪论

1.1压电陶瓷材料概述

1.1.1 压电效应

1.1.2压电陶瓷材料发展概况

1.1.3压电陶瓷材料的应用

1.2无铅压电陶瓷研究概况

1.2.1无铅压电陶瓷研究意义

1.2.2无铅压电陶瓷分类及特点

1.3 NBT基无铅压电陶瓷研究概述

1.3.1 NBT基无铅压电陶瓷

1.3.2 NBT基无铅压电陶瓷的研究动态

1.4本文的研究思路与内容

1.4.1 研究课题的选择

1.4.2本文的研究内容

2实验方法及性能表征

2.1材料的制备

2.1.1实验原料

2.1.2制备工艺

2.2材料性能表征

2.2.1粉体的粒度分析

2.2.2陶瓷的相结构分析

2.2.3 陶瓷的显微结构分析

2.2.4陶瓷的线收缩率、体积密度

2.2.5陶瓷的介电性能测试

2.2.6陶瓷的压电性能测试

2.2.7陶瓷的铁电性能测试

3 NBSTNN100x固溶改性陶瓷组成、结构与性能研究

3.1 NBSTNN100x陶瓷的结构研究

3.1.1 NBSTNN100x陶瓷的相结构

3.1.2 NBSTNN100x陶瓷的显微结构

3.2 NBSTNN100x陶瓷的性能研究

3.2.1 NBSTNN100x陶瓷的介电性能

3.2.2 NBSTNN100x陶瓷的铁电性能

3.3 小结

4 NBTKL100x离子取代改性陶瓷组成、结构与性能研究

4.1 NBTKL100x陶瓷的结构研究

4.1.1粉料粒度分析

4.1.2 NBTKL100x陶瓷的相结构

4.1.3 NBTKL100x陶瓷的显微结构

4.2 NBTKL100x陶瓷的性能研究

4.2.1 NBTKL100x陶瓷的介电性能

4.2.2 NBTKL100x陶瓷的压电性能

4.2.3 NBTKL100x陶瓷的铁电性能

4.3小结

5 0.97NBLT-0.03KNN等静压成型陶瓷组成、结构与性能研究

5.1 0.97NBLT-0.03KNN陶瓷的结构研究

5.1.1 0.97NBLT-0.03KN陶瓷的相结构

5.1.2 0.97NBLT-0.03KNN陶瓷的显微结构

5.1.3 0.97NBLT-0.03KNN陶瓷的体积密度与线收缩率

5.2 0.97NBLT-0.03KNN陶瓷的性能研究

5.2.1 0.97NBLT-0.03KNN陶瓷的介电性能

5.2.2 0.97NBLT-0.03KNN陶瓷的压电性能

5.3等静压成型对陶瓷结构和性能的影响

5.3.1 等静压成型对陶瓷显微结构的影响

5.3.2等静压成型对陶瓷介电性能的影响

5.3.3等静压成型对陶瓷压电性能的影响

5.4 0.97NBLT-0.03KNN陶瓷工艺-结构-性能关系浅析

5.5小结

6结论

6.1本文主要结论

6.2下一步工作展望

致谢

参考文献

附录 攻读硕士期间发表论文情况