论文答辩NBT-BT-KBT基无铅压电陶瓷掺杂改性研究

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1、论文答辩论文题目：NBT-BT-KBT基无铅压电陶瓷掺杂改性研究专业：材料科学与工程作者：王阳指导老师：杜慧玲1.无铅压电陶瓷的发展历史20世纪80年代20世纪60年代20世纪90年代最近几年研究了以铌酸盐和钛酸盐为主的具有钛酸钙矿结构的无铅压电陶瓷。具有钙钛矿结构的碱金属铌酸盐陶瓷体系和钛酸铋钠陶瓷体系是人们关注的热点。无铅压电的研究体系集中在铌系压电陶瓷及铋层状结构化合物。主要的无铅压电陶瓷体系有钛酸钡、钛酸铋钠、铋层结构及铌酸盐基压电陶瓷。22.本论文选题及研究意义无铅压电陶瓷是指不含铅的压电陶瓷，其更深层次的含义则是指既具有满意的使用性能又有良好环境友好特性的压电陶瓷材料。

2、NBT具有铁电性强、压电性能佳、声学性能好等许多优异的特性。它的烧结温度属于中温，比较容易获得好的陶瓷烧结体。然而，室温下钛酸铋钠陶瓷的矫顽场很高，极化极为困难，物理化学性质稳定性差，陶瓷致密性欠佳，陶瓷烧成温度范围比较窄。因此单纯的NBT陶瓷较难实用化。以钛酸铋钠为基体，向其中加入另一种或两种物质，从而得到二元或三元体系，所得的钙钛矿结构固溶体中A位或B位离子被取代，从而对其结构产生影响，可在较大幅度上改善陶瓷的性能。近年来，基于NBT-KBT-BT的三元系固溶体，不仅性能在NBT基二元系基础上得到改善，且退极化温度Td也有所提高，某些组分的Td达到200℃以上，成为无铅压电陶瓷

3、研究的一个热点。此外，其压电性能在NBT基二元系的基础上得到了进一步的提高，称为实用化无铅压电陶瓷的候选材料之一。但是NBT-KBT-BT三元体系的退极化温度偏低，不宜与器件化工艺相适应；且其压电性能与铅基压电陶瓷相比，仍有较大差距；掺杂改性是提高NBT-KBT-BT三元系陶瓷性能的重要手段，但目前研究尚不深入。为改善NBT-KBT-BT的压电性能，提高其温度稳定性，人们开展了一些掺杂改性研究。Choy等发现，Li的加入，提高了四方相的对称性，NBT-KBT-BT陶瓷的Td从约1000℃提高到1400℃。不过，Li的加入虽然提高了tanδ和Qm，但降低了εr及d33，没有明显提高陶

4、瓷的性能。王晓颖研究了Co2O3、MnCO3、CuO等掺杂对NBT-KBT-BT陶瓷性能的影响，表明过渡金属氧化物，除MnCO3掺杂使Kp略有上升外，均使tanδ、εr和d33都有所下降。由于NBT-KBT-BT三元体系的复杂性，掺杂机制难以确定，国内外学者对其掺杂方面的研究还不多，只停留在几种稀有元素的掺杂。为了进一步探索NBT-KBT-BT体系的压电性能和退极化行为的变化规律，本实验采用在NBT-KBT-BT体系中组成在MPB处性能较优的0.88NBT-0.08KBT-0.04BT体系进行掺杂研究，CeO2的掺杂量分别为0,0.4,0.8,1.0wt%。通过改变各种成分的加入量

5、，制得不同配比的固溶体，并对陶瓷的各项性能进行检测分析，得出材料的性能优化理论与有效途径，从而获得高性能的无铅压电陶瓷。3.NBT基无铅压电陶瓷制备工艺同一次球磨粘结剂为5%聚乙烯醇(PVA)干压成型压力为20MPa120℃2h+250℃2h+550℃2h升温时间2小时保温时间2小时配方计算原料称量一次球磨每个配方40g行星式球磨机361转/分4小时590℃1h+710℃1h+820℃1h出料烘干二次球磨造粒成型排胶烧结被银性能测试预烧四组配方干燥箱升温时间2小时保温时间15分钟4.实验结果分析讨论4.1XRD分析4.2SEM分析1#2#3#4#4.3电滞回线的测试与分

6、析四组样品的剩余极化强度和矫顽场样品编号参数1#2#3#4#矫顽电场Ec(Kv/cm)24.615.830.931.6剩余极化强度Pr（μc/cm2）4.78.39.76.64.4四个样品在120℃下的介电损耗和介电常数与频率的关系对比曲线4.5温度对介电常数和介电损耗的影响分析选取1KHz条件下，把几组样品的介电常数和介电损耗随温度的变化曲线放置到一起4.6NBT陶瓷样品的极化与压电性能测试四组样品压电常数样品编号参数1#2#3#4#压电常数d33(Pc/N)373335354.7介电弛豫特性研究样品在1KHz下的Tm、εm和α值样品Tm(℃)εmαX=012322061.113

7、6X=0.413724481.1433X=0.812821271.3416X=1.013021001.5408结论本实验采用传统电子陶瓷制备工艺——固相合成法，在性能优化的NBT-BT-KBT准同型相界组成点引入CeO2，将配方定为0.88NBT-0.08KBT-0.04BT+xCeO2(x=0,0.4,0.8,1.0wt%),并成功制取4钟样品，然后对样品进行结构和性能测试，分析x取值不同对陶瓷性能的影响。综合以上实验结果分析，得出如下结论：（1）XRD分析表明，四