(Ba,Ca)(Zr,Ti)O3與(K,Na)NbO3基無鉛壓電陶瓷的制備及電性能研究.pdf

1、壓電陶瓷是一種能夠?qū)崿F(xiàn)機(jī)械能和電能相互轉(zhuǎn)換的功能陶瓷材料，可作為傳感器、驅(qū)動器、超聲換能器、諧振器、濾波器、蜂鳴器和電子點火器等各種電子元器件被廣泛應(yīng)用于衛(wèi)星廣播、電子設(shè)備、生物、光學(xué)以及航空航天等高新技術(shù)領(lǐng)域。目前使用的壓電陶瓷材料主要是以Pb(Zr,Ti)O3為代表的鉛基壓電鐵電陶瓷，由于此類鉛基陶瓷材料中含有大量的鉛元素，在生產(chǎn)、使用及廢棄后的處理過程中會給人類健康和生態(tài)環(huán)境造成嚴(yán)重?fù)p害。因此隨著人們生態(tài)環(huán)境保護(hù)意識的提高和人類社

2、會可持續(xù)發(fā)展的要求，研究和開發(fā)環(huán)境友好型的無鉛壓電陶瓷材料及相應(yīng)的制備技術(shù)以替代傳統(tǒng)的鉛基壓電材料是一項緊迫的、具有重大社會意義和經(jīng)濟(jì)意義的課題。
　　本文選擇兩種鈣鈦礦型無鉛壓電陶瓷材料：(Ba0.85Ca0.15)(Zr0.1Ti0.9)O3(BCZT)與(K0.5Na0.5)1-xLixNbO3(NKLN)，研究不同工藝條件和摻雜對BCZT及NKLN陶瓷的燒結(jié)特性、微觀組織結(jié)構(gòu)與電性能的影響規(guī)律，為設(shè)計和制備出高性能的環(huán)境友

3、好型無鉛壓電陶瓷材料奠定科學(xué)基礎(chǔ)，從而為電子器件向環(huán)保型與高性能化方向發(fā)展和更新?lián)Q代提供可靠的材料保障。本文的主要研究內(nèi)容如下：
　　首先研究了織構(gòu)陶瓷制備技術(shù)對BCZT陶瓷的微觀組織結(jié)構(gòu)與電性能的影響，結(jié)果表明，以n=3的Aurivillius相化合物Bi4Ti3O12為前驅(qū)體，通過調(diào)控KCl熔鹽中兩種A位元素化合物的不同濃度比例，能夠制備出A位兩種元素比例可控、具有高面率特征的片狀鈣鈦礦(Ba1-xCax)TiO3（x≤0.2

4、5)微晶粉體，并揭示了微晶轉(zhuǎn)變的拓?fù)浠瘜W(xué)反應(yīng)機(jī)制；在此基礎(chǔ)上，以片狀(Ba0.85Ca0.15)TiO3為模板籽晶，采用流延成型工藝和模板晶粒生長法，試制(Ba0.85Ca0.15)(Zr0.1Ti0.9)O3-5mol％(Ba0.85Ca0.15)TiO3(BCZT-5mol%BCT)織構(gòu)陶瓷，XRD與SEM分析顯示，在所研究的工藝條件下BCZT-5mol%BCT陶瓷中并沒有形成織構(gòu)組織，并對基體粉與模板籽晶的比例大小及燒結(jié)工藝方面的

5、原因做了相應(yīng)的分析。通過上述工藝制備的BCZT-5mol%BCT陶瓷的壓電性能受晶粒尺寸與晶粒內(nèi)應(yīng)力的影響顯著，在燒結(jié)保溫8小時的試樣中，陶瓷的晶粒尺寸最大，晶粒內(nèi)應(yīng)力最小，對應(yīng)著最優(yōu)的壓電系數(shù)：d33~218 pC/N。
　　其次，研究了采用溶膠凝膠法結(jié)合兩步燒結(jié)法對于BCZT粉體和陶瓷的微觀組織結(jié)構(gòu)與電性能的影響，XRD分析表明，干凝膠在700℃煅燒兩個小時可結(jié)晶完全，形成晶粒尺寸約20 nm的BCZT粉體，采用納米BCZT粉

6、體可將燒結(jié)溫度降低至1300 ℃，此時BCZT陶瓷的體積密度可達(dá)5.581 g/cm3，相對密度達(dá)98.1%，壓電系數(shù)d33為280 pC/N；采用兩步燒結(jié)法工藝燒結(jié)時，在最優(yōu)工藝條件下（1300 ℃/1min+1150 ℃/20h）燒結(jié)時，BCZT陶瓷相對密度達(dá)97.9%，同時，BCZT陶瓷的晶粒尺寸為0.7~1μm，d33~100 pC/N，居里溫度Tc提高至99 ℃。在所研究的晶粒尺寸范圍內(nèi)，BCZT陶瓷的壓電性能隨晶粒尺寸的增大

7、而增大，居里溫度隨晶粒尺寸的減小而增加。
　　之后，采用放電等離子加壓燒結(jié)工藝制備了高致密度BCZT陶瓷，在1450 ℃/3min與加壓50MPa工藝條件下，BCZT陶瓷的相對密度達(dá)99%，平均晶粒尺寸~5μm，d33~185 pC/N，kp~40.45，研究表明，與常規(guī)燒結(jié)條件下制備的BCZT陶瓷壓電性能相比，由于陶瓷極高的致密度所引起的晶粒內(nèi)應(yīng)力導(dǎo)致放電等離子加壓燒結(jié)制備的BCZT陶瓷壓電性能下降。
　　最后，采用常規(guī)電

8、子陶瓷制備工藝，將(K0.5Na0.5)1-xLixNbO3(NKLN)基無鉛壓電陶瓷與ABO3型化合物(Ba0.85Ca0.15)(Zr0.1Ti0.9)O3與CaSnO3分別進(jìn)行復(fù)合，研究了ABO3型化合物對NKLN陶瓷燒結(jié)特性、微觀組織、相結(jié)構(gòu)與電性能的影響規(guī)律，結(jié)果表明，將BCZT與(Na0.5K0.44Li0.06)NbO3復(fù)合時，隨著BCZT含量的增加，NKLN陶瓷室溫下的相結(jié)構(gòu)逐漸由正交相向四方相過渡，當(dāng)BCZT的含量在0

9、.04~0.06之間時，陶瓷中形成了由正交相與四方相共同組成的兩相共存區(qū)，此時陶瓷的壓電性能得到顯著增強(qiáng)，壓電系數(shù)d33=138 pC/N~147pC/N，機(jī)電耦合系數(shù)kp=22%~25%，居里溫度Tc=350 ℃~384 ℃，獲得了中等壓電性能與高居里溫度的無鉛壓電陶瓷材料；隨著CaSnO3含量的增加，NKLN陶瓷室溫下晶粒尺寸先增加后減小，當(dāng)CaSnO3的含量在0.02~0.025mol%時，陶瓷的晶粒尺寸最大，晶粒尺寸為2~5μm