论文部分内容阅读
压电材料广泛应用于各种类型的水声、超声、电声换能器，在信息技术领域里具有重要的地位。其中锆钛酸铅（PZT）基压电陶瓷是研究最为深入且实用化方面最为成功的压电陶瓷材料，已在各个领域得到广泛应用。尽管PZT压电陶瓷材料具有优良的压电性能，但由于其含有有毒Pb成分，在生产和使用过程中，以及废弃后可能造成环境污染。因此，研发无铅压电陶瓷材料逐步取代现有的含铅压电陶瓷材料，是目前压电陶瓷材料领域的重要研究课题之一。钛酸铋钠Na0.5Bi0.5TiO3（NBT）是钙钛矿型的A位离子复合取代铁电体，居里点Tc为320℃，室温下具有很强的铁电性；钛酸铋钾K0.5Bi0.5TiO3(KBT)是ABO3型压电铁电材料，与Na0.5Bi0.5TiO3结构相似，室温下为四方钙钛矿相，具有更宽的温度使用区间和较低的极化难度。NBT和KBT是制备无铅压电陶瓷最有希望的候选材料，而NBT、KBT陶瓷粉体的制备方法和制备工艺与其成分、结构、性能等密切相关。因此，选择合适的制备方法和工艺是制备性能优良压电陶瓷粉体的前提和基础，对提高NBT、KBT无铅压电陶瓷的电学性能具有重要意义。压电陶瓷材料的制备方法主要有固相法和液相法两种。目前对采用固相法制备NBT、KBT陶瓷粉体的研究较多，而采用液相法合成NBT、KBT陶瓷粉体还不够深入。论文以Bi(NO3)35H2O、Ti(OC4H9)4、NaOH、KOH等为主要原料，采用水热法，开展NBT和KBT陶瓷粉体合成工艺研究，应用XRD、SEM、FTIR、XRF等现代测试技术对陶瓷粉体的结构、微观形貌、成分等进行了表征，优化了制备工艺条件；采用柠檬酸盐法合成了NBT陶瓷粉体和A位Ba2+取代的NBT-BT6陶瓷粉体，通过烧结制备了NBT-BT6压电陶瓷材料，研究了NBT-BT6陶瓷材料的压电性能、铁电性能及其主要影响因素。（1）以Bi(NO3)3·5H2O、Ti(OC4H9)4为原料，NaOH为矿化剂和钠源，采用水热法，通过控制水热反应过程工艺参数合成了尺寸不同、形貌各异的NBT压电陶瓷粉体。研究表明，采用水热法合成NBT压电陶瓷粉体工艺过程简单，不需高温煅烧处理；合成的NBT压电陶瓷粉体的化学组成与Na0.5Bi0.5TiO3的理论组成基本一致，呈球状，粒径约0.2-0.5μm，或呈立方体状，粒度约3-5μm；除了水热温度、水热时间、矿化剂浓度等因素外，Bi/Ti摩尔比对合成粉体的组成、结构和形貌也有较大影响。控制Bi/Ti摩尔比为0.5-0.6，使前驱体中Bi稍过量，有利于单相钙钛矿结构的形成。（2）NBT压电陶瓷粉体的不同形貌是由“原位结晶”机理和“溶解－结晶”机理联合作用的结果，反应物的饱和程度是两种机理发生作用的临界点。当反应物饱和度低于临界值时，原位结晶机理占主导作用，粉体主要呈球形或团聚状颗粒；当反应物饱和度超过临界值时，溶解－结晶机理主导，粉体主要呈立方状颗粒。（3）以Bi(NO3)3·5H2O、Ti(OC4H9)4为原料，KOH为矿化剂和钾源，采用水热法合成了KBT压电陶瓷粉体。研究表明水热温度、水热时间、洗涤介质对粉体的组成、结构和粒度分布有较大影响。当Ti浓度为0.5mol/L、Bi/Ti摩尔比为0.5、矿化剂浓度为12mol/L、水热温度为200℃、水热时间为36h时，合成的KBT粉体为单一钙钛矿结构；采用超声波震荡洗涤有利减少粉体的团聚，粉体的粒度最小。（4）以NaNO3、Bi(NO3)3·5H2O、Ti(OC4H9)4为原料，采用柠檬酸盐法合成了NBT压电陶瓷粉体。研究表明，前驱体溶液的pH值对粉体的的组成、结构、微观形貌和粒度分布有较大影响。在柠檬酸与金属离子摩尔比C/Mn+为1.25、水浴温度为80℃、煅烧温度为600℃、煅烧时间为1h条件下，当pH=2.5时，反应不完全，几乎未形成钙钛矿结构，主要是富含Na、Ti、O的棒状物质；当pH=6.5时，粉体主要为Na0.5Bi0.5TiO3相，呈球状，粒径分布不均，大小一般为500-600nm；当pH＝8.5时，粉体为较纯的钙钛矿结构相，且晶粒分布均匀，粒度约为100-200nm；当pH值=10.5时，粉体中除了钙钛矿结构相外，还形成有较多Bi3Ti4O12相，同时粉体粒径较大，且分布不均匀。（5）研究了柠檬酸盐法制备的NBT-BT6压电陶瓷的电学性能与烧结温度的关系。1120-1160℃温度条件下烧结结果表明，陶瓷中存在三方-四方相共存的准同型相界（MPB）；当烧结温度为1140℃，保温时间为2h时，NBT-BT6压电陶瓷收缩均匀，密度达到最大值5.53g/cm3，相对介电常数达到最大值509，平面机电耦合系数Kp值达到0.255，压电常数d33达到最大值105pC/N。压电常数和介电常数均达到最大，介电损耗最小，综合电学性能较好。BT的掺入有效降低了NBT陶瓷的矫顽场，矫顽场最小为42.9kV/cm，相比纯NBT陶瓷的矫顽场73kV/cm，有明显降低，表明NBT基陶瓷铁电性能与压电性能的变化规律存在内在联系。