鈉鉍鈦體系自然極性陶瓷的制備及物性研究.pdf

1、我們小組在近期的研究工作中原創(chuàng)性地發(fā)現(xiàn)了一類特殊的與宏觀界面形成相關(guān)的非鐵電性壓電多晶材料。這類利用傳統(tǒng)陶瓷工藝制備的復(fù)相多晶陶瓷塊體具有自然產(chǎn)生的宏觀極性，因而不需施加電場極化就具有較強壓電效應(yīng)，而且壓電性與材料的鐵電性無直接聯(lián)系，我們暫且稱這類陶瓷為自然極性陶瓷。自然極性陶瓷的出現(xiàn)打破了人們對壓電陶瓷材料的傳統(tǒng)認識，在理論研究的角度上值得進一步探索其壓電性起源，此外由于不再受到居里溫度的限制，使其具備在高溫環(huán)境下應(yīng)用的潛力?？紤]到目

2、前該類新型極性材料的相關(guān)實驗數(shù)據(jù)非常有限，因此有必要對其進行系統(tǒng)的研究以探求其中的物理機制并進一步挖掘該類新型極性材料的潛在應(yīng)用價值。
　　 本論文重點對Na2O-Bi2O3-TiO2原料體系中自然極性陶瓷的制備及物性進行了研究。
　　 一、通過向Na0.5Bi4.5Ti4O15的配方中加入過量的Na2CO3、Bi2O3或TiO2原料來探索制備含有鉍層結(jié)構(gòu)的自然極性陶瓷，并重點關(guān)注組分對其結(jié)構(gòu)和壓電性的影響。利用傳統(tǒng)陶瓷

3、燒結(jié)工藝制備了Na0.5Bi4.5Ti4O15+xNa2CO3(x=0.2，0.25，0.33,0.5)、Na0.5Bi4.5Ti4O15+xBi2O3(x=0.5,1,2.25,2.5,3,4,5,6)、Na0.5Bi4.5Ti4O15+xTiO2(x=1,4,10,20)、Na0.5Bi4.5Ti4O15+2.25Bi2O3+xNa2CO3(x=0.15,0.25,0.35,0.5)和Na0.5Bi4.5Ti4Oi5+2.25Bi2

4、O3+xTiO2(x=0.5,1,2,3)等一系列陶瓷樣品。實驗發(fā)現(xiàn)只有向Na0.5Bi4.5Ti4O15中加入適當過量的Bi2O3才能制備出自然極性陶瓷，而只向Na0.5Bi4.5Ti4O15中加入過量的Na2CO3或TiO2后制得的陶瓷未經(jīng)極化工序并不能具有壓電性。在該體系里，自然極性陶瓷中都檢測到Na0.5Bi4.5Ti4O15相和Bi12TiO20相，而非自然極性陶瓷中并沒有發(fā)現(xiàn)Bi12TiO20相，所以Bi12TiO20相在該

5、類自然極性陶瓷中起了關(guān)鍵性的作用。通過樣品的拉曼光譜分析發(fā)現(xiàn)Na0.5Bi4.5Ti4O15基自然極性陶瓷中存在畸變的BiO5多面體和TiO6八面體，其宏觀極性可能來源于這些畸變單元的部分取向。實驗發(fā)現(xiàn)向Na0.5Bi4.5Ti4O15+2.25Bi2O3中加入過量的Na2CO3可以提高壓電活性，其d33值可達8pC/N左右，壓電性增強可能與其中Bi12TiO20含量增多及保持了相對較高的密度有關(guān)。該類Na0.5Bi4.5Ti4O15基

6、自然極性陶瓷的退極化溫度超過700℃，具備高溫壓電應(yīng)用的潛質(zhì)。
　　 二、通過實驗確定了在xNa2O-yBi2O3-zTiO2體系中自然極性陶瓷的存在范圍，大致為原料中Na2O含量為2％～10％、Bi2O3含量為30％～70％、ZiO2含量為30％～55％的區(qū)域，但原料中Bi2O3含量超過50％之后，陶瓷出現(xiàn)易揮發(fā)高損耗的特點，影響其壓電應(yīng)用。經(jīng)過XRD分析發(fā)現(xiàn)，存在Bi12TiO20相是xNa2O-yBi2O3-zTiO2體系

7、陶瓷具有自然極性的必要條件。實驗中大部分自然極性陶瓷表現(xiàn)為Na0.5Bi0.5TiO3和Bi12TiO20兩相同存、Na0.5Bi4.5Ti4O15和Bi12TiO20兩相同存或Na0.5Bi0.5TiO3、Na0.5Bi4.5Ti4O15和Bi12TiO20三者共存的狀態(tài)。
　　 三、我們分別以普通燒結(jié)工藝和溫差燒結(jié)工藝按照Na0.5Bi4.5Ti2O11的配方制備了一系列陶瓷樣品。在普通燒結(jié)工藝下，燒結(jié)溫度在820℃～920

8、℃之間的樣品具有自然極性，燒結(jié)溫度超過940℃后自然極性消失，在870℃下燒結(jié)的樣品其壓電性最強，d33為6pC/N。溫差燒結(jié)工藝制得的樣品壓電性明顯增強，其d33值為11pC/N，并且d33值分布更為均勻。通過XRD譜我們發(fā)現(xiàn)所有的自然極性陶瓷中都含有Bi12TiO20，而且隨著Bi12TiO20的消失其自然極性也消失;通過Raman光譜和XPS能譜我們確認了該類樣品中存在非晶相及由BiO5多面體和TiO6八面體畸變導(dǎo)致的微觀極性，其