NBT基三元系无铅压电陶瓷掺杂改性研究

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1、摘要压电陶瓷是一类广泛应用于电子领域的高技术功能材料。但目前应用的压电陶瓷仍以PZT铅基陶瓷为主，其主成分是有毒的铅，对生态环境造成了极大的损害。因此，开发新型无铅压电陶瓷取代现有含铅压电陶瓷材料，成为现在压电陶瓷研究的主要热点。三元固溶体NBT．KBT．BT(BNBK)体系由于具有三方．四方共存的准同型相界(MPB)以及在MPB附近优异的介电和压电性能，引起了研究者的广泛关注，被认为是无铅压电陶瓷最有希望的候选材料之一。本论文采用固相烧结法制备了BNBK三元无铅压电陶瓷，系统研究了四方相区组成74．0(Bil／2Nal／2)Ti03．20．8(Bil／2K1／2)Ti03-5．2BaT

2、i03(BNBK74)和MPB附近组成85(Biv2Nal／z)Ti03—12(Bil／2Kl,,z)Ti03—3BaTi03(BNBK85)陶瓷的烧结行为和掺杂改性效果；并以C0203掺杂85(Bil／2Nal／2)Ti03．12(Bil／2KI／2)Ti03．3BaTi03体系为基础，进行了瓷料工厂应用化研究。具体研究内容如下：(1)研究了BNBK74陶瓷的烧结特性。研究表明：随着烧结温度的提高，A位元素挥发加重，陶瓷晶格中氧空位增多，钙钛矿晶格的四方度逐渐减小；同时，陶瓷的退极化温度下降，居里温度上升。研究表明，晶格畸变是影响退极化温度的主要因素，而氧空位影响了反铁电．顺电转变。(

3、2)研究了0～0．42m01．％MnC03掺杂对BNBK74陶瓷的影响。研究表明：MnC03掺杂引起了陶瓷的晶格畸变；适量掺杂有助于提高陶瓷烧结特性，促进晶粒生长和密度提高。此外，MnC03掺杂还增强了BNBK74陶瓷的弛豫行为，改善了陶瓷的电学性能。最佳电学性能在掺杂量为0．16m01．％处获得：,／33=140pC／N，kp=18％，岛=1047，tan6--2．19％，Qm=89；同时，其退极化温度保持在1750C，显示了其良好的应用前景。(3)研究了O-2m01．％C0203掺杂对BNBK85陶瓷的影响。研究表明：Co离子是C03+和C02+离子形式存在，且Co”和C02+离子浓

4、度随着C0203掺杂量发生变化，从而对陶瓷的微观结构、退极化温度以及电学性能产生显著影响。适量掺杂引起了晶格畸变，改善陶瓷烧结特性，使陶瓷晶粒长大，密度提高。此外，C0203掺杂能在不显著降低压电性能的前提下显著提高退极化温度和机械品质因数。在0．5m01．％掺杂量时，退极化温度提高到了1570C；在掺杂量为1．5m01．％时，最大机械品质因数达到626，是目前BNBK陶瓷研究报道中最高的。(4)研究了O～0．8wt．％MnO掺杂对BNBK85陶瓷的影响。研究表明：所有样品均为三方．四方共存结构，适量掺杂可以改善烧结特性，促进晶粒生长和密度提高。此外，适量MnO掺杂可以改善陶瓷的电学性能

5、。最佳的电学性能在掺杂量北京工业大学工学硕上学位论文为0．3wt．％处获得：da3=190pC／N，‰=32％，8r=863，tan6---1．24％，Om=314。优良的电学性能显示了其在传感器和致动器中良好的应用前景。(5)研究T85(Bil／2Nal／2)Ti03．12(Bil／2Kl,,z)Ti03．3BaTi03．0．5C0203瓷料的工厂应用特性。研究表明：工厂所做样品性能与实验室所做样品性能存在较大的差距，还达不到滤波器的应用要求。烧结工艺是导致压电性能不佳的主要原因：由于没有保护气氛，易挥发元素挥发严重，从而使化学计量比严重失衡，最终引起了结构的改变，降低了材料性能。关键

6、词无铅压电陶瓷；(Bil／2Nal／2)Ti03：掺杂；电学性能；退极化温度乃ABSTRACTABSTRACTPiezoelectricceramicsareadvancedfunctionalmaterialswhichhavebeenwidelyusedinmodemelectronicapplication．However，currently．usedpiezoelectricmaterialsaremainlylcad-basedceramics．whichcontainagreatamountoftoxicleadcontents，whichcausesaseriousecol

7、ogicalproblem．Hence，thedevelopmentoflead—freepiezoelectricceramicstoreplacethePZT．basedceramicshasbecomeoneofthemaintrendsinthecurrentinvestigationofpiezoelectricmaterials．Theternary(Bil／2Nal／2)Ti03一(BilaKl／2)TiOs—BaTi