铌酸锶钡2f钛酸锶钡复相陶瓷制备、结构和性能.研究

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1、第1章绪论1．1课题背景随着科学的发展，人们对物质结构的了解更加深入，发现了大量性能优良的介电、铁电、热释电等陶瓷材料，但同时我们也注意到，当今世界各国普遍采用的铁电、压电、热释电陶瓷大都为以Pb(Ti。Zl'

2、-X)03(rrz)为基的二元系、三元系陶瓷，含有大量的Pb，其中有毒物质铅的含量高达60％以上，由压电陶瓷工业带来的严重的铅污染问题早己成为制约该行业发展的关键问题。因此随着人们健康意识和环保意识的提高，开发性能优良的、环境友好型无铅陶瓷材料是一项迫切的、具有重大社会和经济意义的课题【l一。目前，

3、可供选择的无铅压电、铁电陶瓷体系按结构可以分为以下几类：1)钙钛矿结构；2)钨青铜结构；3’}含铋层状结构。这些无铅陶瓷材料由于成分和结构的不同，在电学性能上各有特点，目前无铅陶瓷材料总体性能上与PTZ体系材料相比尚有一定差距，但已成为近年来陶瓷材料研究的主要方向之一13】。随着各行各业对高热释电、高介电可调等性能材料需求的日益增加，钛酸锶钡BaxSrl．xTi03(SBT)、铌酸锶钡Srl《BaxNb206(SBN)等的制备、性能及改性研究己成为材料研究的一个热点领域，很多国家的科研工作者对此都展开了广泛

4、而深入的研究[4-n】，尤其是美国、日本和韩国始终处在领先地位。据统计，由于缺乏核心技术我国在热释电材料材料的进口额高达每年6亿美元以上。在这方面的研究起步相对较晚，起点较低，相关技术急需提高，因此努力缩短与发达国家在这方面的差距，解决我国自己电子陶瓷行业的一些关键技术是科研工作者努力的方向也是刻不容缓的任务。钛酸锶钡和铌酸锶钡都是重要的铁电材料，除了两者都具有优良的热释电性能和铁电性能外，SBT还具有介电常数高、结构稳定和机械强度好等特点，钨青铜型材料BaxSrhNb206具有优异的热释电、光电、非线性光

5、学性能以及红外探测的响应时间快等特尉12．131，广泛应用于声表面波中的红外探测器、光波导、光调制器等。目前根据科研工作者对铁电材料用于热释电探测器的工作原理的分析，热释电探测器的理想工作温度范围应在热释电材料的居里温度点附近，这提高了探测器对环境温度的要求。所以有必要开发出一种在一定温度范围内具有多个强的介电峰的热释电材料。钛酸锶钡和铌酸锶钡都是“DB--DB’’哈尔滨理工大学’[学博士学位论文工作模式最常用的热释电材料，都属于无铅环保材料，而且具有m辐射吸收率高、电导率低及红外探测响应快等优点f1¨51

6、，因而有利于获得相对高的热释电系数和探测器的探测率优值。热释电系数与温度有关，当温度比材料的居里温度瓦低很多，p值较小，探测器不宜在此温度下工作。当温度离疋不太远时，p值变大，并且随温度波动的变化小，这段温区适于探测器的工作温区。因此希望这一温区更宽些，最好在室温附近。如果工作温度太接近疋，由于材料在居里温度范围内时，介电性能的剧烈变化，则p值的起伏大，同时材料容易退极化，显然这样的温度也不适宜于作为探测器的工作温区。所以最好选择居里温度瓦高于室温，又不远离室温的材料做探测器。铌酸锶钡和钛酸锶钡两者是制备热

7、释电探测器的理想材料，考虑到在介电、热释电领域等的应用，将SBT和SBN两相复合，在体系中由于固溶，必将有部分Nb存在于SBT相中，对SBT的某些性能起到调节作用。而在体系中的SBN相中由于有Ti的存在，因而SBN相的某些性能必将得到改善。通过这种设计理念，我们将SBT和SBN两相复合起来，既充分利用了两种材料热释电、居里温度等性能的叠加效应，又利用了双相在体系中互掺杂的作用，对改善热释电性能、提高热辐射吸收性能及介电性能将起到积极作用。而且钛酸锶钡的机械强度较高，可以改善铌酸锶钡的机械性能。但是，复相材料

8、的制备工艺、晶相的形成过程和存在状态、晶界的状态等对材料的热释电、铁电和介电等各种性能将产生很大的影响。复合相的晶粒、晶界和气孔等将直接对材料的功能特性产生重要的影响。通过控制制备工艺参数，控制两相的形成条件、两相的均匀性和分散性、两相间的失配度以及两相的颗粒尺寸等，在很大程度上可以直接调节材料的性能。本研究通过粉末．溶胶工艺将两者进行复合，制备复相多晶陶瓷，这样可使两种材料的性能产生叠加效应，从而使材料的性能改善、使用温度范围加大，这对热释电探测器的应用具有非常重要的意义。传统的固相合成工艺烧结温度高，能

9、源消耗比较严重，且易导致铌酸锶钡陶瓷晶粒在烧结过程中出现异常长大、开裂等现象【I¨91。改善材料的热释电性能，材料的超细化研究必不可少1：,0-221。众所周知，溶胶一凝胶工艺具有反应均匀度高、易于改性、工艺简单和烧结温度低等特点。然而，溶胶一凝胶工艺的制备成本高，束缚着溶胶一凝胶工艺制备铌酸锶钡陶瓷的产业化[23-251。本课题将组成体系的两相分而置之。使用比较廉价的№05，这样避免了使用铌醇盐带来的易水解和高