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半个多世纪以来,锆钛酸铅(PZT)压电陶瓷因其优异的压电、介电和机电耦合性能,得到了广泛、深入的研究,在市场应用的压电陶瓷材料中一直占据主导地位。然而PZT的含铅量达60%以上,在烧结过程中铅不可避免的挥发,并且在后续的使用和废弃过程中严重污染环境,危害人类的健康。随着欧盟颁布WEEE/RoHs/ELV法案,在世界范围内引发了一场电子产品的无铅化革命。因此,探索无铅化压电陶瓷,研究综合性能优良、环境友好型的压电材料是电子元器件行业的一项紧迫任务,具有重大的现实意义。
钛酸钡系列电子陶瓷是近几十年发展起来的新型现代功能陶瓷。目前己成为现代功能陶瓷中最重要的一类,是电子陶瓷元器件的基础母体原料,被称为电子陶瓷的支柱。但钛酸钡的居里温度较低,在120℃左右,限制了其在室温下的应用。为了改善钛酸钡的室温介电性能,掺杂钛酸钡成为人们首选的研究方向。
本文以钛酸钡、氧化锆和氧化镧为原材料,利用固相反应法制备(1-x)BaTiO3-xZrO2(x=0.06,0.10,0.14,0.18)和(1-x)BaTiO3-xLa2O3(x=0.01,0.012,0.014,0.016)系压电陶瓷,测量其正电子寿命谱参数。通过比较不同的掺杂比例、不同烧结温度样品缺陷与性能的关系,讨论了样品内部的微观缺陷对其压电性能的影响。通过研究获得如下结果:
(1)BT(钛酸钡)成瓷温区在1080~1430℃之间,压电性能最佳在1130℃附近,影响压电性能最主要两个因素为烧结温度和样品晶体粒径的大小,样品的缺陷随着温度的升高而减少。
(2)在(1-x)BaTiO3-xZrO2(x=0.06,0.10,0.14,0.18)体系中,锆离子的掺入会收窄BT(钛酸钡)成瓷温区,在1280~1380℃之间,随着Zr离子的增加,样品的体积收缩率逐渐减少,且随着Zr离子的增加,样品的正电子寿命逐渐增加,表明缺陷浓度随着掺杂比例的升高而增加,降低了压电陶瓷的压电性能。XRD的结果表明,在Zr离子固溶入钛酸钡晶格后,以BaZrO3的形式影响其压电性能,晶体结构类型为三方相。
(3)在(1-x)BaTiO3-xLa2O3(x=0.01,0.012,0.014,0.016)体系中,BT对La掺杂敏感,明显缩窄烧结温区,在1330℃时成瓷性还不是很好,但1380℃时却有明显的过烧痕迹,出现玻璃相。随着La掺杂量的增加,样品的正电子寿命逐渐增加,表明缺陷浓度随着掺杂比例的升高而增加,且由于样品中的点缺陷和位错聚集,产生屏蔽效应,造成极化电压过低,导致压电陶瓷压电电压常数过低。当样品中La3+离子浓度超过1mol%时,样品的成瓷性较差,缺陷较多,造成难以极化,压电性能也较差。由XRD的结果表明,在La3+离子也成功的固溶入钛酸钡晶格,取代了Ba的位置,以LaTiO3的形式影响其压电性能,晶体结构类型为三方相。