BNT-BKT系无铅压电陶瓷制备及性能研究

来源 :中国地质大学(武汉) | 被引量 : 0次 | 上传用户:760904
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压电陶瓷因其具有电能→←机械能进行有效能量转换的特殊性能,而被广泛应用于许多科技领域以及日常生活的诸多方面。科技的进步带动人们意识水平的提高,当前全球都在提倡建设环保、可持续性发展的现代化生产,而目前被广泛使用的压电陶瓷中铅的含量高达70%,给环境和人类健康带来不同程度的危害。所以研究低铅或无铅压电陶瓷材料具有重要的实际意义。目前研究较多的无铅压电陶瓷体系主要有BaTiO3基无铅压电陶瓷、NBT基无铅压电陶瓷、铌酸盐系无铅压电陶瓷和铋层状结构无铅压电陶瓷。其中(1-x)Bi0.5Na0.5TiO3-xBi0.5K0.5TiO3(BNKT)系陶瓷是被认为最有潜力的一类无铅压电陶瓷材料。以往对BNKT系陶瓷的研究主要是对陶瓷相界处的结构或性能进行研究,富钾区的研究较少。而材料处于四方相时的稳定性较好,且K0.5Bi0.5TiO3的去极化温度(270℃)较高,因此对富钾区材料结构及性能的研究具有实用价值和理论意义。对于BNKT系陶瓷,Bi、Na、K均是易挥发元素,在高温烧结过程中由于这些元素的挥发导致陶瓷组分偏离化学计量比,从而降低陶瓷性能的稳定性。陶瓷烧结过程中,采用不同埋烧氛围制备BNKT100x陶瓷,可以避免或减少高温时Bi、Na、K的挥发,对提高BNKT100x陶瓷的电学性能具有一定的意义。   论文采用液相包覆法合成陶瓷粉体,BNT粉和Al2O3粉埋烧制备BNKT5陶瓷。重点分析了不同埋烧氛围对BNKT5陶瓷结构与性能的影响。在此基础上采用Al2O3粉埋烧制备BNKT100x(x=8mol%~80mol%)陶瓷,并对其结构、压电和介电性能进行了系统研究。主要结论有:   1、.Al2O3粉和BNT粉埋烧氛围下制备的BNKT5陶瓷均形成了钙钛矿结构的单一晶相。Al2O3粉埋烧制备BNKT5陶瓷的致密度较高,陶瓷晶粒具有规则的几何形貌,晶界明显,晶粒排列紧密,平均晶粒大小为2μm;BNT粉埋烧制备的BNKT5陶瓷的晶粒规则性较差,气孔率高。晶粒发育不均匀,部分晶粒生长过快,且出现一些柱状和椭圆形晶粒。晶粒尺寸分布较宽,平均晶粒大小为2.5μm。   2、采用Al2O3粉埋烧制备的BNKT5陶瓷具有较高的d33、εr、Td、Tc和稳定的tanδ,且其Qm,kt和kp均比BNT粉埋烧制备的BNKT5陶瓷的相应性能高。其各性能参数为:d3=83.5×10-12C·N-1,εr=639,tanδ=0.042,Tc=327℃,Td=200℃,Qm=143,kt=0.244,kp=0.152。   3、BNKT100x陶瓷的烧结温区较窄,当BKT的含量高于40mol%时BNKT100x陶瓷的烧结温度呈现下降趋势。当烧结温度为1130℃时,BNKT100x(x>40mol%)陶瓷的X射线衍射峰已显示有第二相出现。随着BKT含量的增加,BNKT100x陶瓷衍射峰的位置呈现出向小角度偏移的趋势。BKT含量较低时,BNKT100x陶瓷晶粒的棱角比较钝化,而BKT含量较高时,BNKT100x陶瓷晶粒的棱角明显而尖锐,晶粒的四方特征尤为突出。BNKT100x(x=8~60mol%)陶瓷富钠区在BKT的含量为16mol%附近,陶瓷的d33、εr、kt和kp出现极大值,其各性能参数为:d33=122.2×10-12C·N-1,εr=500.94,Tc=329℃,Td=167℃,Qm=124.47,kt=0.213,kp=0.219;烧结温度为1100℃时,BNKT100x(x=20~80mol%)陶瓷富钾区在组分为60mol%附近,陶瓷的d33、εr、kt和kp出现极大值,各性能参数为:d33=117×10-12C·N-1,εr=463.10,Qm=58.04,kt=0.152,kp=0.173。   4、BNKT100x陶瓷呈现明显的弥散相变特征,其居里温度Tc随BKT含量的增加而升高,由x=8mol%时Tc=323℃增至x=60mol%时Tc=354℃;而陶瓷的去极化温度Td则随着BKT含量的增加呈下降趋势,由x=8mol%时Td=215℃降至x=60mol%时Td=80℃。
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