氧化銅摻雜、二氧化鈦原料及制備工藝對鈦酸鋇壓電陶瓷性能的影響.pdf

1、壓電材料是實(shí)現(xiàn)機(jī)械能與電能相互轉(zhuǎn)換的一類功能材料,在諧振器、濾波器、驅(qū)動器、傳感器、超聲換能器等各種電子元器件方面有著廣泛的應(yīng)用。目前實(shí)用化的壓電材料中,廣泛使用的是鋯鈦酸鉛(Pb(Zr,Ti)O3,簡稱PZT)基陶瓷材料,但是PZT的制備原料中有大量的含鉛氧化物,在生產(chǎn)、使用和廢棄后處理的過程中都會對環(huán)境帶來嚴(yán)重影響。因此,發(fā)展環(huán)境友好型無鉛壓電陶瓷是一項(xiàng)重要的研究課題。
　　 歷史上,BaTiO3陶瓷是最早發(fā)現(xiàn)的一種多晶壓電

2、材料,曾得到較為廣泛的實(shí)際應(yīng)用。但是,在1954年性能優(yōu)良的壓電陶瓷PZT發(fā)現(xiàn)之后,BaTiO3作為壓電材料的應(yīng)用逐漸減少,其主要原因是長期以來通常制備的BaTiO3基陶瓷材料壓電活性太低(d33≤190 pC/N)。目前,BaTiO3主要用于制造電容器和正溫度系數(shù)電阻。值得關(guān)注的是,日本研究者們最近幾年相繼報道了以水熱合成的BaTiO3微粉為原料,采用微波燒結(jié)、分步燒結(jié)和模板晶粒生長法制備出了d33值分別達(dá)到360、460和788 p

3、C/N的BaTiO3壓電陶瓷的研究結(jié)果。本研究組近年以普通TiO2和BaCO3微粉為原料、通過傳統(tǒng)的固相反應(yīng)途徑制備出了d33值高達(dá)419pC/N的BaTiO3陶瓷。這些研究結(jié)果說明BaTiO3基陶瓷作為無鉛壓電材料應(yīng)用的研究具有很大的意義。
　　 本文以氧化物和碳酸鹽微粉為原料、利用通常生產(chǎn)電子陶瓷的工藝制備了BaTiO3陶瓷,并對其各種物理性質(zhì)進(jìn)行了研究。
　　 一、制備了不同CuO摻雜量的BaTiO3陶瓷,研究了C

4、uO摻雜對BaTiO3陶瓷壓電、介電等性能的影響。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn),CuO在燒結(jié)過程中起著助燒劑的作用,有助于降低燒結(jié)溫度、增大陶瓷致密度和抑制晶粒的異常生長。通過介電溫譜和d33隨溫度的變化的測量發(fā)現(xiàn),CuO的摻雜導(dǎo)致了正交.四方相變溫度TO-T的降低,d33的最大值所對應(yīng)的溫度在相交溫度TO-T附近。另外,BaTiO3陶瓷在正交相的溫度范圍內(nèi)具有較穩(wěn)定的機(jī)電耦合系數(shù)kp,而適量的CuO摻雜可以有效地提高陶瓷在正交相內(nèi)的機(jī)電耦合系數(shù)。對于Cu

5、O摻雜量為1 mol％的BaTiO3陶瓷樣品,其室溫下具有d33=300 pC/N,kp=0.49,k33=0.62,Qm=425的良好壓電性能。與BaTiO3陶瓷相比,它的相變溫度To-T較低,介電常數(shù)于-5℃時呈現(xiàn)峰值,而在0℃時d33達(dá)到最大值353 pC/N。
　　 二、分別采用三種不同的TiO2微粉為原料制備了BaTiO3陶瓷樣品。系統(tǒng)地考察了不同原料之間的差異,研究了原料對BaTiO3壓電陶瓷的微觀結(jié)構(gòu)和性能的影響。

6、實(shí)驗(yàn)表明,不同的TiO2原料在微觀形貌和晶體結(jié)構(gòu)方面存在著差異,而采用不同TiO2原料所制備的BaTiO3預(yù)燒粉的微觀形貌沒有顯著的差別,顆粒粒徑均在500 nm左右,室溫下晶體結(jié)構(gòu)均為四方相。利用晶體結(jié)構(gòu)為金紅石型的兩種TiO2原料所制備的BaTiO3陶瓷燒結(jié)溫度較低,在1200℃條件下燒結(jié)的陶瓷的d33與kp值分別達(dá)到350 pC/N、39.2％和340 pC/N、38.6％,晶粒粒徑均在1～2μm。利用一種銳鈦礦型晶體結(jié)構(gòu)的TiO

7、2原料所制備的BaTiO3陶瓷燒結(jié)溫度較高,1330℃條件下燒結(jié)得到的陶瓷的d33和kp值分別為290pC/N和44.5％,晶粒粒徑在10μm以上。通過對壓電性能、燒結(jié)溫度、晶粒尺寸等各種特性的綜合比較,發(fā)現(xiàn)其中以一種金紅石型晶體結(jié)構(gòu)的TiO2微粉為原料所制備的BaTiO3壓電陶瓷具有較優(yōu)的綜合性能。
　　 三、研究了制備工藝對BaTiO3壓電陶瓷的微觀結(jié)構(gòu)、介電性能和壓電性能的影響。采用不同的預(yù)燒方式(對微粉進(jìn)行壓塊或?qū)ξ⒎畚?/p>

8、進(jìn)行壓塊的預(yù)燒)和不同的球磨時間條件(分別為6、12、18和24小時),考察了所制備的預(yù)燒微粉的差異和最終得到的BaTiO3壓電陶瓷的性質(zhì);利用高能球磨機(jī)進(jìn)行了球磨實(shí)驗(yàn),研究了研磨球的粒徑尺寸和球磨時間對預(yù)燒微粉和BaTiO3壓電陶瓷性能的影響。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn),采用未壓塊的預(yù)燒方式所制備的BaTiO3陶瓷的壓電性能略高于利用壓塊的預(yù)燒方式制備的BaTiO3陶瓷的壓電性能。在利用普通行星球磨機(jī)進(jìn)行的球磨時間的影響的實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn),適當(dāng)?shù)那蚰r間(1

9、2小時)有利于獲得較高的壓電活性,球磨時間過長(24小時)則會導(dǎo)致研磨球磨損過大的問題。在高能球磨實(shí)驗(yàn)中,陶瓷的燒結(jié)溫度明顯升高,推測這可能與BaTiO3微粉的較大的顆粒度有關(guān)。研磨球的尺寸(球徑=6.5mm或5mm)對所制備的預(yù)燒微粉的細(xì)度和BaTiO3壓電陶瓷的性能沒有太大的影響,而球磨時間(2小時或4小時)的不同會對所制備的預(yù)燒微粉的細(xì)度和BaTiO3陶瓷的性能產(chǎn)生一定影響,推測產(chǎn)生影響的原因可能與球磨時間的延長會加劇磨損有關(guān)。有