鈮酸鉍鍶基鉍層狀結(jié)構(gòu)復(fù)相陶瓷的制備與性能研究.pdf

1、隨著目前開(kāi)發(fā)無(wú)鉛壓電陶瓷元器件的大趨勢(shì)，鉍層狀結(jié)構(gòu)壓電材料因其具有較高居里溫度、低老化率、高擊穿場(chǎng)強(qiáng)、低介電常數(shù)、高機(jī)械品質(zhì)因數(shù)和優(yōu)異的諧振頻率穩(wěn)定性，在高溫、高頻以及信息存儲(chǔ)領(lǐng)域有著重要的應(yīng)用前景而備受關(guān)注。但單一的鉍層狀結(jié)構(gòu)壓電材料因結(jié)構(gòu)的特殊性存在難以實(shí)用化的缺點(diǎn)，因此本文從鉍層狀結(jié)構(gòu)材料的自發(fā)極化機(jī)制出發(fā)，結(jié)合復(fù)相模型及分子動(dòng)力學(xué)模型，采用分步合成工藝，選擇性能優(yōu)異的二層鉍層狀結(jié)構(gòu)化合物SrBi2Nb2O9與鈣鈦礦結(jié)構(gòu)Na0.5

2、Bi0.5TiO3進(jìn)行復(fù)合，制備鉍層狀結(jié)構(gòu)復(fù)相無(wú)鉛壓電陶瓷，從組分、基質(zhì)顆粒以及復(fù)合工藝角度研究其高溫下的介電與壓電性能的作用規(guī)律，尋求適用于高溫固態(tài)傳感器和探測(cè)器的復(fù)相結(jié)構(gòu)新材料。
　　采用分步固相燒結(jié)工藝成功制備了(1-x)SrBi2Nb2O9-xNa0.5Bi0.5TiO3(SBN-NBT，x=0.1,0.2,0.3,0.4,0.5)鉍層狀結(jié)構(gòu)復(fù)相無(wú)鉛壓電陶瓷。利用X射線衍射儀(XRD)、掃描電子顯微鏡(SEM)及介電和壓電

3、測(cè)試系統(tǒng)等測(cè)試手段或技術(shù)對(duì)陶瓷樣品的相結(jié)構(gòu)、微觀形貌和電性能進(jìn)行表征。結(jié)果表明：樣品均形成了鈣鈦礦結(jié)構(gòu)相與鉍層狀結(jié)構(gòu)相兩相共存的復(fù)相結(jié)構(gòu)，其中鉍層狀結(jié)構(gòu)相隨NBT引入量增多由SBN逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)槎优c三層BLSF插層結(jié)構(gòu)相，再轉(zhuǎn)變?yōu)槿龑鱼G層狀相。隨著NBT組分的增加，相變峰向高溫移動(dòng)，鐵電-順電相變峰值介電常數(shù)隨之減小，相應(yīng)的介電峰半高寬的彌散度增大，鐵電–順電相變彌散程度增強(qiáng)，當(dāng)x=0.4時(shí)樣品彌散因子γ達(dá)到1.95，表現(xiàn)出典型的弛豫鐵電

4、體的相變特征。當(dāng)x=0.1時(shí)，樣品的電性能達(dá)到最佳值：Curie溫度TC、室溫介電常數(shù)和d33分別達(dá)到474℃、177和13 pC·N–1。
　　其次，在上述分步固相燒結(jié)工藝基礎(chǔ)上，改變預(yù)合成相粉體的制備工藝，以熔鹽法制備的片狀晶粒SBN/NBT以及溶膠-凝膠合成的超細(xì)晶粒SBN/NBT作為前驅(qū)預(yù)合成相，采用分步合成工藝制備SBN-NBT(x=0.1,0.2,0.3,0.4)體系，探究SBN/NBT預(yù)合成相粉體制備工藝對(duì)復(fù)相陶瓷的

5、結(jié)構(gòu)及性能的影響。研究發(fā)現(xiàn)：粉體的制備工藝對(duì)相結(jié)構(gòu)變化產(chǎn)生了明顯的影響，熔鹽法制備的片狀晶粒SBN/NBT成功合成了SBN-NBT(x=0.1,0.2,0.3,0.4)鉍層狀結(jié)構(gòu)復(fù)相無(wú)鉛壓電陶瓷，其中鉍層狀結(jié)構(gòu)相在x≤0.2時(shí)為SBN相，在x≥0.3時(shí)由SBN轉(zhuǎn)變?yōu)?層與3層BLSF插層結(jié)構(gòu)相。溶膠-凝膠制備的超細(xì)晶粒SBN/NBT則合成了鉍層狀結(jié)構(gòu)固溶體相陶瓷樣品，無(wú)鈣鈦礦相。隨著NBT組分的增加，片狀晶粒合成的復(fù)相陶瓷樣品的Curi

6、e溫度逐漸增加，Curie溫度對(duì)應(yīng)的相變峰峰值εr逐漸減小，鐵電–順電相變彌散程度逐漸增強(qiáng)，具有典型的介電弛豫特征。
　　為了進(jìn)一步開(kāi)發(fā)高溫高性能的鉍層狀結(jié)構(gòu)無(wú)鉛壓電陶瓷，基于TTG、復(fù)相陶瓷的優(yōu)勢(shì)，采用水熱法在二維片狀晶粒SrBi2Nb2O9的表面成功修飾了壓電性能更加優(yōu)異的0.8Na0.5Bi0.5TiO3-0.2K0.5Bi0.5TiO3納米顆粒，無(wú)雜相生成。再經(jīng)干壓成型、固相燒結(jié)制備了(1-x)SrBi2Nb2O9-x(0

7、.8Na0.5Bi0.5TiO3-0.2K0.5Bi0.5TiO3)(x=0.1,0.3,0.4,0.5,0.6,SBN-NKBT)系列復(fù)相陶瓷。研究發(fā)現(xiàn)：當(dāng) x=0.1時(shí)樣品就已經(jīng)出現(xiàn)了的鈣鈦礦結(jié)構(gòu)相NKBT，而鉍層狀結(jié)構(gòu)相隨NKBT引入量增多由SBN逐漸轉(zhuǎn)變轉(zhuǎn)變?yōu)槿龑鱼G層狀相，無(wú)中間相二層與三層插層結(jié)構(gòu)相。隨著NBT組分的增加，居里溫度由440℃逐漸增大600℃以上，鐵電-順電相變峰值介電常數(shù)隨之減小，相應(yīng)的介電峰半高寬的彌散度增大