BNT基無鉛壓電陶瓷材料的制備與電性能的研究.pdf

1、壓電陶瓷是一種實現(xiàn)機械能和電能相互轉(zhuǎn)化和耦合的一類高技術(shù)功能材料，廣泛應(yīng)用于電子和微電子元器件。傳統(tǒng)的陶瓷在應(yīng)用過程中會引起許多問題。開發(fā)新型無鉛壓電陶瓷取代現(xiàn)有的含鉛壓電陶瓷材料，成為一項緊迫且具有重大實用意義的課題。Bi<,0.5>Na<,0.5>TiO<3>具有很強的鐵電性，是一種很有希望的無鉛壓電陶瓷。 本文采用固相燒結(jié)方法，從陶瓷的組分設(shè)計、制備技術(shù)、摻雜以及加入第三元組分四個方面研究了(1-x)Bi<,0.5>Na<

2、,0.5>TiO<3-x>Bi<,0.5>K<,0.5>TiO<3>無鉛壓電陶瓷。 首先，系統(tǒng)地研究了Bi<,0.5>K<,0.5>TiO<3>(縮寫為BKT)，組分變化對BNT-BKT二元體系壓電陶瓷準(zhǔn)同型相界附近相結(jié)構(gòu)、顯微組織和電性能的影響。結(jié)果表明：隨著BKT含量的增加，體系的相結(jié)構(gòu)由三方相向四方相過渡。當(dāng)BKT含量位于0.16 mol和0.20 mol之間時，材料組成存在準(zhǔn)同型相界，并且在0.18 mol處時獲得了相對

3、致密且均一性良好的陶瓷。而且通過研究BKT含量變化范圍內(nèi)陶瓷的馳豫鐵電特性，并結(jié)合居里-外斯定律發(fā)現(xiàn)所有陶瓷均為馳豫鐵電陶瓷。結(jié)合燒結(jié)溫度和陶瓷的電性能兩方面因素，確定BKT的最佳含量為0.18 mol，燒結(jié)溫度為1170℃，此時材料配方0.82BNT-0.18BKT的d<,33>、K<,p>、ε<,r>和tanδ同時達到最佳值，分別為144pC/N、0.29、893和0.037。 其次，為了提高無鉛壓電陶瓷的壓電、介電性能，我

4、們分別以Nd<,2>O<,3>、CeO<,3>為摻雜劑，對體系進行了改性研究。實驗結(jié)果表明：在Nd<,2>O<,3>摻雜范圍內(nèi)，陶瓷樣品均為純鈣鈦礦結(jié)構(gòu)，隨著其含量的變化，衍射峰的位置略有移動；隨著Nd<2,>O<,3>含量的增加，晶粒的尺寸呈現(xiàn)先降低后升高的趨勢，在x=0.0125wt.％處，陶瓷獲得較為均勻致密的形貌。Nd<,2>O<,3>摻雜后的陶瓷介電常數(shù)整體趨勢隨Nd<,2>O<,3>摻雜量的增高而降低，介電峰呈現(xiàn)更加寬化的趨

5、勢，并且從10kHz下的居里-外斯關(guān)系圖得出在研究范圍內(nèi)所有陶瓷樣品均為馳豫鐵電體：隨Nd<,2>O<,3>含量的增加，d<,33>和K<,p>呈先升高后下降的趨勢。當(dāng)Nd<,2>O<,3>含量為0.0125wt.％時，在1160℃下燒結(jié)的陶瓷的綜合電性能為：d<,33>=134 pC/N，K<,p>=0.27，ε<,r>=925和tan δ=0.041。 在CeO<,2>摻雜范圍內(nèi)，陶瓷樣品均為純鈣鈦礦結(jié)構(gòu)。隨著CeO<,2>

6、含量的增加，晶粒的尺寸呈現(xiàn)先降低后升高的趨勢，在x=0．1wt．％處，陶瓷獲得較為均勻致密的形貌。摻雜Ce02的BNT-BKT’陶瓷仍然存在兩個介電峰，隨著CeO<,2>含量的增加，介電峰的位置向低溫方向移動。此外，從1 kHz下的居里-外斯定律關(guān)系圖得出，所有陶瓷樣品均為馳豫鐵電體，但是隨著CeO<,2>含量的增加，馳豫性降低。隨著CeO<,2>含量的增加，d<,33>和K<,p>整體呈先降低再升高后下降的趨勢。當(dāng)CeO<,2>含量為

7、0.1wt.％時，在1180℃下燒結(jié)的陶瓷的綜合電性能為：d<,33>=138 pC/N，K<,p>=0.30，ε<,r>=879和tan δ=0.032。通過對比摻雜Nd<,2>O<,3>和CeO<,2>的性能，發(fā)現(xiàn)摻雜CeO<,2>之后的陶瓷綜合電性能略好于添加Nd<,2>O<,3>的陶瓷性能。最后，我們在摻雜CeO<,2>的基礎(chǔ)上引入BaTiO<,3>第三元組元(配方為：0.82BNT-0.18BKT+xBaTiO<,3>+0.1

8、wt.％CeO<,2>)，詳細的研究了BT含量變化對陶瓷相結(jié)構(gòu)、顯微組織以及電性能的影響規(guī)律。結(jié)果表明：隨著BT含量的增加，d<,33>和K<,p>均先減小后增大，與此同時，ε<,r>和tanδ呈先增大后減小的趨勢。結(jié)合陶瓷的顯微組織和電性能兩方面因素，最終確定BT的最佳含量為0.06 mol，燒結(jié)溫度為1180℃，此時材料配方0.82BNT-0.18BKT+0.06BT+0.1wt.％CeO<,2>的d<,33>、K<,p>、ε<,r