(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實現機械能和電能相互轉換的功能陶瓷材料，可作為傳感器、驅動器、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用于衛(wèi)星廣播、電子設備、生物、光學以及航空航天等高新技術領域。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、使用及廢棄后的處理過程中會給人類健康和生態(tài)環(huán)境造成嚴重損害。因此隨著人們生態(tài)環(huán)境保護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的制備技術以替代傳統的鉛基壓電材料是一項緊迫的、具有重大社會意義和經濟意義的課題。
　　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陶瓷的燒結特性、微觀組織結構與電性能的影響規(guī)律，為設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基礎，從而為電子器件向環(huán)保型與高性能化方向發(fā)展和更新換代提供可靠的材料保障。本文的主要研究內容如下：
　　首先研究了織構陶瓷制備技術對BCZT陶瓷的微觀組織結構與電性能的影響，結果表明，以n=3的Aurivillius相化合物Bi4Ti3O12為前驅體，通過調控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，并揭示了微晶轉變的拓撲化學反應機制；在此基礎上，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組織，并對基體粉與模板籽晶的比例大小及燒結工藝方面的

5、原因做了相應的分析。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應力的影響顯著，在燒結保溫8小時的試樣中，陶瓷的晶粒尺寸最大，晶粒內應力最小，對應著最優(yōu)的壓電系數：d33~218 pC/N。
　　其次，研究了采用溶膠凝膠法結合兩步燒結法對于BCZT粉體和陶瓷的微觀組織結構與電性能的影響，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、體可將燒結溫度降低至1300 ℃，此時BCZT陶瓷的體積密度可達5.581 g/cm3，相對密度達98.1%，壓電系數d33為280 pC/N；采用兩步燒結法工藝燒結時，在最優(yōu)工藝條件下（1300 ℃/1min+1150 ℃/20h）燒結時，BCZT陶瓷相對密度達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，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應力導致放電等離子加壓燒結制備的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分別進行復合，研究了ABO3型化合物對NKLN陶瓷燒結特性、微觀組織、相結構與電性能的影響規(guī)律，結果表明，將BCZT與(Na0.5K0.44Li0.06)NbO3復合時，隨著BCZT含量的增加，NKLN陶瓷室溫下的相結構逐漸由正交相向四方相過渡，當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，壓電系數d33=138 pC/N~147pC/N，機電耦合系數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