鐵酸鉍基高溫?zé)o鉛壓電陶瓷的制備及其性能研究.pdf

1、壓電材料是一種實(shí)現(xiàn)電能與機(jī)械能相互轉(zhuǎn)換的重要功能材料，在驅(qū)動(dòng)器、傳感器、蜂鳴器、探測(cè)器等各種電子元器件中都有著廣泛的應(yīng)用。目前，鋯鈦酸鉛（Pb(Zr,Ti)O3，簡(jiǎn)稱(chēng)PZT）基壓電陶瓷材料是市場(chǎng)上主要使用的壓電材料。但是由于PZT壓電陶瓷在制備過(guò)程中采用較多含鉛原材料，對(duì)社會(huì)生態(tài)環(huán)境會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的污染和破壞，且其居里溫度不超過(guò)250 oC，在高溫工作環(huán)境下存在很大的退極化和老化問(wèn)題。近年來(lái)隨著汽車(chē)電子、航空航天、原子能技術(shù)、冶金與石油化工

2、等工業(yè)的迅猛發(fā)展，迫切需要能夠在高溫下正常工作而不失效的壓電器件，對(duì)壓電材料的高溫壓電物性提出了更高的要求，高溫?zé)o鉛壓電材料也受到越來(lái)越多的關(guān)注。鈣鈦礦結(jié)構(gòu)的BiFeO3基無(wú)鉛壓電陶瓷具有良好的壓電性能，且有高居里溫度，有望在高溫壓電傳感器中得到廣泛應(yīng)用。本文通過(guò)固相反應(yīng)法制備出BiFeO3基陶瓷。研究了燒結(jié)工藝的改善、與BaTiO3進(jìn)行復(fù)合、摻入過(guò)量的Bi2O3對(duì)BiFeO3基陶瓷材料的結(jié)構(gòu)、壓電和鐵電性能的影響，并探討了其導(dǎo)電抑制機(jī)

3、制。
　　本研究主要內(nèi)容包括：⑴采用兩步燒結(jié)制備工藝研究制備出純相鐵酸鉍陶瓷，并與傳統(tǒng)固相燒結(jié)進(jìn)行了對(duì)比。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：傳統(tǒng)固相反應(yīng)法制備出的 BiFeO3陶瓷通常有Bi24Fe2O39和 Bi2Fe4O9雜相產(chǎn)生，且電阻率比較低；采用兩步燒結(jié)工藝，隨著沖擊高溫T1的增加，雜相逐漸減少，在T1=850 oC，T2=750 oC時(shí)制備出了純相的BiFeO3陶瓷，陶瓷獲得較好的壓電性能42 pC/N，電阻率也有一定的提高達(dá)到1.57×

4、108Ω.cm。然而，進(jìn)一步提高T1，將會(huì)產(chǎn)生大量的雜相，且電阻率會(huì)急劇下降。經(jīng)過(guò)研究分析，這是由于鐵酸鉍的合成溫度較窄，當(dāng)溫度太高會(huì)造成較多 Bi的揮發(fā)，使得化學(xué)計(jì)量比失衡，從而產(chǎn)生較多的雜相。⑵通過(guò)BiFeO3與不同比例BaTiO3進(jìn)行復(fù)合，研究了(1-x)BiFeO3-xBaTiO3(x=0.20、0.25、0.33、0.44)對(duì)陶瓷的物相、晶體結(jié)構(gòu)以及鐵電壓電性能的影響。研究發(fā)現(xiàn)陶瓷的電阻率有了極大的提高，且樣品都達(dá)到飽和極化，

5、在x=0.33時(shí)存在三方、偽立方結(jié)構(gòu)共存的準(zhǔn)同型相界（MPB），且壓電性能顯著提高達(dá)到163 pC/N，居里溫度為437 oC，剩余極化強(qiáng)度達(dá)到21.45μC/cm2，最大應(yīng)變量達(dá)到0.082％，特別是陶瓷的電阻率極大的提高到了7.97×109Ω.cm。這些研究結(jié)果表明通過(guò)與BaTiO3進(jìn)行復(fù)合能夠有效對(duì)BiFeO3基陶瓷進(jìn)行導(dǎo)電抑制，從而提高其鐵電壓電性能。⑶選擇MPB附近組成0.67BiFeO3-0.33BaTiO3的體系，采用兩步

6、燒結(jié)工藝，陶瓷的電阻率進(jìn)一步提高達(dá)到2.78×1010Ω.cm，相應(yīng)的鐵電和壓電性能也有所提高，壓電系數(shù)達(dá)到171 pC/N，最大應(yīng)變量提高到0.105%，并且對(duì)陶瓷的老化性能進(jìn)行了研究。研究發(fā)現(xiàn)通過(guò)兩種燒結(jié)工藝的對(duì)比，采用兩步燒結(jié)工藝制備出的陶瓷的壓電性能穩(wěn)定性更好。另外，由于BF-BT壓電陶瓷中Bi元素在高溫?zé)Y(jié)過(guò)程中易揮發(fā)，使成份偏離化學(xué)計(jì)量比。為了彌補(bǔ) Bi元素的揮發(fā)，在 MPB附近組分0.67BiFeO3-0.33BaTiO3

7、的配比中加入過(guò)量的Bi，研究了Bi過(guò)量對(duì)陶瓷的晶體結(jié)構(gòu)、鐵電和壓電性能的影響。研究發(fā)現(xiàn)，過(guò)量的 Bi對(duì)陶瓷的晶體結(jié)構(gòu)沒(méi)有較大的影響，但是有助于陶瓷的燒結(jié)，彌補(bǔ)了Bi的揮發(fā)，從而促進(jìn)了陶瓷晶粒的生長(zhǎng)，提高了陶瓷的密度。適量 Bi過(guò)量能夠有效提高陶瓷的電阻率，從而提高陶瓷的極化程度，有效的提高了陶瓷的鐵電壓電性能。但是 Bi過(guò)量太多，在燒結(jié)過(guò)程中會(huì)在陶瓷晶界處形成液相，晶界析出物質(zhì)過(guò)多，阻礙了晶格疇壁運(yùn)動(dòng)，使得陶瓷的壓電物性降低。在Bi過(guò)量