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钛酸铋钠(Bi<,0.5>Na<,0.5>TiO<,3>,简称(BNT))是一类钙钛矿型的A位离子复合取代铁电体,其居里温度(Tc)为320℃,剩余极化强度(Pr)为38μC/cm<2>,在室温下具有很强的铁电性,被认为是无铅压电陶瓷最有希望的候选材料之一。本论文采用传统电子陶瓷方法制备了BNT基无铅压电陶瓷,系统研究了材料的合成条件、制备工艺、结构和压电性能,并结合实验结果分析了BNT基陶瓷压电性能与材料的组成、结构之间的相关性。
以BNT为工艺研究对象,严格控制制备过程中的各个环节。采用DSC/TG、XRD和SEM等分析技术,研究了制备工艺对BNT结构形成的影响,给出了温度和时间对该体系结构形成的影响特征:着重研究预烧、烧结温度对材料压电性能的影响,得出了较佳的工艺制备参数。结果表明最佳预烧温度为950℃,保温时间2h;理想的烧结温度为1150℃,保温时间2h。
纯BNT陶瓷因具有相当大的矫顽场以及在铁电相区的电导率高而难以极化,材料所具有的真实压电性能无法充分展现出来。因此在BNT中引入第二组元BaTiO<,3>(BT),对A位的(Bi<,0.5>Na<,0.5>)<2+>进行取代,形成(Lx)BNT-xBT固溶体系统。BT的掺入提高了BNT陶瓷的微观结构和压电性能。在准同型相界(MPB)附近,BNBT陶瓷样品的ρ<,v>为5.9009g/cm<,3>,密实度达到了98.5%;d<,33>最大值达到99.5pC/N,与纯BNT陶瓷相比,压电性能提高了48%。
研究了CeO<,2>和La<,2>O<,3>掺杂的BNBT6陶瓷的晶体结构和压电性能。CeO<,2>和La<,2>O<,3>掺杂的BNBT6均不会改变材料的三方晶体结构。掺杂可以有效抑制晶粒的长大和提高密实度。掺杂后的陶瓷在一定掺杂量范围内能提高陶瓷的压电常数,具有“软性”添加物的作用。其中当CeO<,2>掺杂量为0.2wt%时,陶瓷的压电常数d<,33>达到111.8pC/N;La<,2>O<,3>掺杂量为1.0wt%时,陶瓷的压电常数d<,33>达到114.1pC/N。两种掺杂离子均能够改善陶瓷材料压电性能的温度稳定性。