NBT-KBT無鉛壓電織構(gòu)陶瓷制備及其電性能研究.pdf

1、隨著世界各國對環(huán)境保護(hù)的重視，勢必采用無鉛的壓電材料來替代傳統(tǒng)的含鉛壓電陶瓷材料，以減少環(huán)境污染，因此壓電陶瓷的無鉛化就成為壓電陶瓷發(fā)展的趨勢。本文選擇鈦酸鉍鈉一鈦酸鉍鉀(NBT-KBT)無鉛陶瓷研究體系，采用RTGG(ReactiveTemplatedGrainGrowth)法以Bi4Ti3O12微晶為模板制備NBT-KBT無鉛壓電織構(gòu)陶瓷，主要研究模板材料的選擇與制備工藝、織構(gòu)陶瓷的成型設(shè)備與方法、NBT-KBT陶瓷的顯微組織結(jié)構(gòu)和

2、電性能之間的關(guān)系等，制備出電性能良好、各向異性顯著的NBT-KBT無鉛壓電織構(gòu)陶瓷。 論文結(jié)合RTGG和TGG(TemplatedGrainGrowth)的工藝特點(diǎn)，分析了制備織構(gòu)陶瓷微品模板的選擇原則，確定了適用于制備NBT-KBT織構(gòu)陶瓷的模板種類，通過對幾種滿足模板選擇原則的典型模板材料進(jìn)行逐個分析，最終確定出了具有高的生長各向異性的Bi4Ti3O12微晶作為制備NBT-KBT織構(gòu)陶瓷的模板；通過對現(xiàn)有陶瓷成型工藝方法的比

3、較，選擇出適用于制備織構(gòu)陶瓷的成型工藝方法，同時自行研制了實(shí)驗(yàn)室用于制備織構(gòu)陶瓷的設(shè)備，該設(shè)備目前已申報(bào)國家實(shí)用新型專利(申請?zhí)枺?00520078348.9)。 采用熔鹽法制備了Bi4Ti3O12微晶粉體，研究了制備工藝參數(shù)與Bi4Ti3O12微晶的形貌和尺寸之間的關(guān)系。結(jié)果表明，Bi4Ti3O12微晶粉體的顯微組織形貌和尺寸與燒結(jié)溫度、熔鹽量、保溫時間等工藝參數(shù)關(guān)系密切。在發(fā)現(xiàn)Bi2O3的過量加入對Bi4Ti3O12微品粉體

4、的形貌起了決定性的作用后，系統(tǒng)的研究了Bi2O3過量的程度和制備工藝參數(shù)對Bi4Ti3O12微品粉體顯微組織形貌的影響，最終實(shí)現(xiàn)了通過工藝參數(shù)的設(shè)定對其顯微組織形貌和尺寸的控制。采用熔鹽法成功地制備了適合流延工藝要求的純Bi4Ti3O12微晶，微晶尺寸均勻，分散性好，直徑與厚度比大，直徑為8～10μm，厚度為1～2μm。采用此粉體制備了Bi4Ti3O12陶瓷，研究了該陶瓷的電性能與工藝參數(shù)之間的關(guān)系，結(jié)果顯示該陶瓷已經(jīng)顯示出了各向異性的

5、特性。 采用傳統(tǒng)方法制備出NBT-KBT陶瓷，確定了其準(zhǔn)同型相界，而組分為0.84NBT-0.16KBT的陶瓷位于準(zhǔn)同型相界附近，且具有較佳的壓電性能；以0.84NBT-0.16KBT組分為研究對象，研究基體中加入不同量Bi4Ti3O12微晶燒結(jié)后所制備NBT-KBT陶瓷的顯微組織結(jié)構(gòu)與電性能，優(yōu)化了燒結(jié)工藝的同時確定出Bi4Ti3O12微品的最佳加入量。 分別采用干法和濕法兩種流延方法和RTGG工藝制備了NBT-KBT

6、織構(gòu)陶瓷，研究了燒結(jié)溫度對織構(gòu)陶瓷燒結(jié)行為、織構(gòu)度和顯微組織結(jié)構(gòu)的影響規(guī)律，制備出了NBT-KBT織構(gòu)陶瓷，解決了濕法流延中燒結(jié)后樣片的變形問題。結(jié)果表明：NBT-KBT織構(gòu)陶瓷的燒成溫度范圍只有10～20℃，其介電性能、壓電性能和鐵電性能呈現(xiàn)明顯的各向異性，沿c軸方向織構(gòu)陶瓷的各種電學(xué)性能均明顯優(yōu)于沿a-b面流延方向的電學(xué)性能，兩種流延方法在1150℃燒結(jié)所得的NBT-KBT織構(gòu)陶瓷在顯微組織結(jié)構(gòu)和電性能方面均表現(xiàn)出最強(qiáng)的各向異性，沿

7、c軸方向的電性能最好，其室溫介電常數(shù)εr(室溫)=1835，介質(zhì)損耗tanδ=0.03，居里區(qū)峰值介電常數(shù)εr(Tc)=2484，該織構(gòu)陶瓷的d33=134pC/N(同組分普通NBT-KBT陶瓷d33=42pC/N)，k31=31﹪(同組分普通NBT-KBT陶瓷k31=17﹪)，Qm=154，Pr=87μC/cm2(同組分普通NBT-KBT陶瓷Pr=46μC/cm2)，Ec=3622kV/m(同組分普通NBT-KBT陶瓷Ec=4600k