水热法制备BNT无铅压电陶瓷及性能研究.pdf

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1、水热法制备BNT无铅压电陶瓷及性能研究郭霄峰2015年6月中图分类号：UDC分类号：水热法制备BNT无铅压电陶瓷及性能研究作者姓名郭霄峰学院名称材料学院指导教师曹茂盛教授答辩委员会主席邢长民教授申请学位工学硕士学科专业材料科学与工程学位授予单位北京理工大学论文答辩日期2015年6月HydrothermalsynthesisandcharacterizationofBNTlead-freepiezoceramicsCandidateName:XiaofengGuoSchoolorDepartment:MaterialScien

2、ceandEngineeringFacultyMentor:Prof.MaoshengCaoChair,ThesisCommeetee:Prof.ChangminXingDegreeApplied:MasterofEngineeringMajor:MaterialScienceandEngineeringDegreeby:BeijingInstituteofTechnologyTheDateofDenfence:June2015研究成果声明本人郑重声明：所提交的学位论文是我本人在指导教师的指导下进行的研究工作获得的研究成果。

3、尽我所知，文中除特别标注和致谢的地方外，学位论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京理工大学或其它教育机构的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的合作者对此研究工作所做的任何贡献均已在学位论文中作了明确的说明并表示了谢意。特此申明。签名：日期：北京理工大学硕士学位论文摘要随着人们对环境保护的重视，无铅压电陶瓷作为压电陶瓷中的“后起之秀”，正在逐渐得到研究人员的重视。对于无铅压电陶瓷的深入研究，使得无铅压电陶瓷有望替代以PZT基陶瓷为主的含铅压电陶瓷，这样不仅会降低有毒铅的使用和排放，还可以实现绿色制

4、造和绿色应用，对于生态环境的可持续发展产生重要推动作用。水热法属于一种高效率液相化学合成法。与传统的固相法及其他方法相比较，水热法有很多优势，例如，水热法获得的陶瓷纳米晶粒径小、尺寸比较均匀、反应温度低等。因此，水热法是制备压电陶瓷纳米晶的首选方法。本文采用水热法，通过控制矿化剂NaOH的浓度和水热反应时间，成功制备出了片状、立方块状和线状等不同形貌的Na0.5Bi0.5TiO3（BNT）纳米晶，并描述了不同形貌BNT纳米晶的生长机理。研究了不同形貌BNT纳米晶烧结成的BNT陶瓷的组织、形貌和电学性能，并分析了不同烧结温度对

5、BNT压电陶瓷性能的影响。本文基于纳米晶形核及热力学分析，利用原位自组装和溶解再结晶机制，描述了不同形貌BNT纳米晶的生长行为和生长机理。其主要的生长行为是：当NaOH浓度较低时，c轴方向的生长速度严重慢于a和b轴。纳米晶沿着择优取向方向生长（a/b轴），从而有利于形成片状BNT纳米晶；随着NaOH浓度增加，溶解再结晶机制会加速并主导生长过程，容易形成立方块状BNT纳米晶；BNT纳米线的的生长不仅受NaOH浓度的影响，同时需要一个较长的反应时间；得出NaOH的浓度对于BNT纳米晶的形貌起着至关重要的作用。本文利用不同形貌的B

6、NT纳米晶烧制了Na0.5Bi0.5TiO3压电陶瓷，通过对陶瓷组织形貌和电学性能对比分析，发现利用片状BNT纳米晶烧结的陶瓷相对最致密，且晶粒较大，组织形貌均一，说明BNT纳米晶的形貌对其陶瓷烧结体的组织有影响，片状BNT纳米晶有助于晶粒的生长。由片状BNT纳米晶烧制的陶瓷的电学性能相对最好，烧成的陶瓷有较高的剩余极化强度和较高的介电系数，其压电系数d33可达87pC/N，这要好于其他文献中所报道的BNT体系的压电性能。通过研究不同烧结温度对片状BNT纳米晶烧成陶瓷性能的影响，发现烧结温度在1150℃时，陶瓷相对较为致密，

7、BNT陶瓷的电学性能相对最好，从而确定1150℃为最佳烧结温度。关键词：无铅压电陶瓷；BNT纳米晶；水热法；生长机理；电学性能I北京理工大学硕士学位论文ABSTRACTWiththedevelopmentofhumanscienceandsociety,peoplepaymoreandmoreattentiononenvironmentprotection.Lead-freepiezoelectricceramicsbecomea"risingstar"inthepiezoelectricceramicgradually,w

8、hichgettheattentionoftheresearchers.Forthedeeplystudyoflead-freepiezoelectricceramics,moreandmoreeffortshavebeenmadetodeveloplead-freepiezoelectr