无铅压电陶瓷.ppt

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1、无机非金属材料工程071班马腾坤毕业答辩保温时间对掺杂CeO2的BNBT6的无铅压电陶瓷性能的影响引言随着信息时代的到来，各种具有优异性能的新型电子材料开始受到人们的关注和重视。压电陶瓷材料由于其在信息、航天、激光、导航和生物等高技术领域的广泛应用，成为目前国际竞争的热点问题。压电陶瓷作为一种将机械能与电能之间相互转换的功能材料，因其具有稳定的化学特性、优异的物理性能、容易制成各种形状、极化方向任意等材料特性，广泛应用于电路振荡器、滤波器和传感器，各种类型的水声、超声、电声换能器等，遍及日常生活、工业生产以及军事等领域。实验背景目前使用最多的压电陶瓷材料主要是以PZT为基的二元

2、及多元体系陶瓷材料，其中PbO（或Pb3O4）含量约占其原料总量的70%左右。但是PbO有毒、高温易挥发，在材料的制备过程中不仅会危害环境，而且使其化学计量式偏离计算配方，进而使产品的一致性和重复性降低，致使陶瓷性能下降。另外，含铅元器件废弃后也会给人类和生态环境带来危害。因此，不管是为了满足市场需求，还是出于对环境保护，压电陶瓷材料的无铅化是必然趋势，研发环境协调型无铅压电陶瓷已成为具有重大经济与社会意义的课题实验依据本实验以BNT基压电陶瓷中压电性能较为出色的（Na0.5Bi0.5）0.94Ba0.06TiO3（简称BNBT6）陶瓷作为研究对象。因为在BNBT6无铅压电陶瓷

3、中，存在一个三方-四方的一个准同型相界，在此处BNBT6具有很优异的压电、介电性能。而且CeO2作为一种稳定性添加物，可以使陶瓷的体电阻率提高、机械品质因数和介电常数提高、损耗因子降低，所以选择CeO2对BNBT6无铅压电陶瓷进行掺杂改性。保温时间较短，陶瓷晶粒往往来不及发育长大，造成晶粒过小且晶界过多，从而烧成的陶瓷有大量的气孔存在，陶瓷的致密度很低，因而烧成的陶瓷样品的介电、压电性能很差。如果保温时间较长，烧成的陶瓷虽然晶粒排列相对致密，但在烧结保温后期较易出现晶粒异常生长的现象，从而导致陶瓷介电性能的恶化。只有保温时间适中时，烧成的陶瓷的晶粒排列紧密而均匀，气孔较少，致密

4、度很高，这时烧成的陶瓷样品才有最佳的介电、压电性能。根据查阅相关文献，本实验的适宜的保温时间在2h～2.5h之间。研究内容及思路本课题要研究的内容是保温时间对掺杂CeO2的BNBT压电陶瓷性能影响的研究。研究的性能主要包括体积密度、压电性能和介电性能。通过查阅大量文献，实验方案拟定为：预烧温度为960℃，保温2小时，烧结温度为1180℃，保温时间分别设置为：1h，1.5h，2h，2.5h，3h，CeO2的掺杂量为0.4wt%实验原料及用量原料名称实验用量无水碳酸钠5.843g碳酸钡2.778g二氧化钛18.735g氧化铋25.689g氧化铈0.2g按照BNBT6的化学式为(Na

5、0.5Bi0.5)0.94Ba0.06TiO3及实验要求原料总量为50g，经过计算具体用量如下表所示工艺过程配料计算球磨混料干燥预烧再次球磨造粒压片涂银极化烧银性能测试排胶烧结预烧预烧是指在低于熔点温度下，通过各种原料的固体界面和固体内部各原子（或离子）之间的扩散完成的固相化学反应过程。预烧有两个目的：一是使材料的固相化学反应充分均匀，生成组成固定的固溶体，以利于烧结时充分成瓷，结晶致密均匀，形成主晶相，提高陶瓷的压电性能。二是排除原料中的水分和二氧化碳等气体，减少瓷料的烧成收缩，便于控制成品的外形尺寸。一般地，预烧应遵循以下原则：必须使各配方组成的固相反应充分完成，游离氧化物

6、含量达到最低极限，防止配方中各组分的还原以及易挥发组分的挥发。合理的选择粉体预烧温度是获得致密性高性能优良压电陶瓷的前提条件。粉体预烧温度偏高时，主晶相合成比较完全，但粉料过硬造成粉碎困难，粉粒过度结晶，降低其活性，致使烧结推动力消弱，瓷体内气孔增多，影响陶瓷致密度；而预烧温度偏低时，反应不充分，粉料颗粒堆积不够紧密，接触面不够，难以在烧结中得到致密的陶瓷体。保温时间越长，原子或离子的扩散距离就越长，粉料具有较高活性，烧成的压电陶瓷结构均匀、质地致密、性能优良。实验结果及分析随着保温时间的增长，陶瓷试片的体积密度呈现先增加，后急剧减小的趋势，在保温时间为2.5h时，体积密度达到

7、最大值。这是因为保温时间较短时，陶瓷晶粒往往来不及长大，造成晶粒过小并且晶界过多，从而烧成的陶瓷有大量的气孔存在，因此保温时间较短的陶瓷试片的体积密度很低；如果保温时间较长，烧成的陶瓷虽然晶粒排列相对致密，但在烧结保温后期较易出现晶粒异常长大现象，再加上在保温3h时，Bi2O3挥发很严重，致使烧结陶瓷用的干锅内壁呈现黄色（物质Bi2O3），故保温时间长的陶瓷片的致密度急剧下降。在本实验中，保温时间在2h~2.5h之间时，促进陶瓷试片的晶粒长大，粒排列紧密而均匀，气孔率较小，体积密度很高，这使