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伴随人类环保意识的增强和人与自然协调发展的要求,开展无铅压电陶瓷的研究是一项紧迫且有现实意义的工作。但是相比铅基压电陶瓷,较差的电性能是制约无铅压电陶瓷应用的一个瓶颈。采用织构工艺通过控制压电陶瓷的显微结构,使得其内部晶粒定向排列,获得类似单晶的特性,可以有效提高压电陶瓷的电性能。本文首先通过一步熔盐法合成(001)Bi4Ti3O12(BIT)、(001)Ba6Ti17O40(B6T17)片状粉体分别作为前驱体,再进一步采用熔盐法通过拓扑反应合成(001)BaTiO3(BT)、(111)BT片状模板。采用以上四种模板通过流延定向模板方法制备不同择优取向0.94Na0.5Bi0.5Ti03-0.06BaTiO3(0.94NBT-0.06BT)织构陶瓷,深入研究Bi2O3烧结助剂对致密化及织构形成机理的影响,以及结合不同取向对比研究其力电性能,全文研究内容主要概括如下: (1)以NaCl-KCl(摩尔比为1:1)为熔盐(熔盐与原料的质量比为1:1),采用一步熔盐法在1100℃保温6h成功合成理想BIT片状粉体:物相纯净、分散性良好、各向异性较大(径向~25μm,厚度-1μm)。 (2)采用两步熔盐法以BIT为前驱体在1020℃保温3h通过拓扑反应成功合成理想(001)BT片状粉体:径向尺寸为10-20μm,厚度为0.5-1μm。BT粉体的清洗过程较为复杂和关键,容易产生杂相。通过分析发现杂相产生的原因是由于Bi3+与cr在无酸或弱酸环境下发生水解反应所致。本文提出两种有效抑制水解获得纯相的清洗方法,其出发点分别是伴随硝酸的存在抑制Bi3+、Cl-与NO3-发生水解反应,先除去Bi3+和在Bi3+被硝酸溶解释放出来之前除去Cl-,避免两者相遇发生水解产生杂相。 (3)添加5 vol%BIT模板采用TGG方法成功制备具有高(001)取向度和电性能的0.94NBT-0.06BT织构陶瓷(取向因子f~0.93,压电系数d33~290 pC/N)。研究表明添加过量2mol%Bi2O3可以明显改善体系的烧结致密化特性,然而同时抑制织构的形成过程。分析原因可能是Bi2O3的加入使得BIT模板主晶面和基体晶粒的界面结构转变为原子级光滑,进而改变模板晶粒主要沿径向方向生长,造成基体晶粒几乎没有被吞噬发生外延生长。总结得出烧结助剂的加入具有选择性,应该与模板和基体相匹配,否则烧结助剂并不一定能起到既可以改善烧结特性又可以促进织构外延生长的双重作用。 (4)首次采用(001)BT片状模板通过RTGG方法成功制备高(001)取向度(f-0.91)0.94NBT-0.06BT织构陶瓷。BIT粉体代替Bi2O3作为起始原料(避免BT模板与Bi2O3接触),保证模板在基体中稳定存在,发挥模板作用。研究表明BT模板作为目标化合物的端组元,由于具有相同的晶体结构,无需经过低温预烧,直接烧结即可获得高织构度且组分均匀的单一固溶体。对比研究样品在垂直和平行流延方向上的电学性能,随机取向与织构陶瓷的电场诱发应变特性,结果表明织构陶瓷体现出明显各向异性的电学性能,增强的应变特性和滞后,并从机理上进行分析和探讨。 (5)以(001)B6T17、(111)BT为模板采用RTGG方法制备(111)取向0.94NBT-0.06BT织构陶瓷获得织构度分别为0.35、0.48。分析织构度较低的原因可能是由于模板具有的晶格匹配度及各向异性形貌较差所致,其中晶格匹配度影响基体在模板表面发生织构外延生长,形貌影响模板在基体中的定向情况。结果表明,(111)取向0.94NBT-0.06BT织构陶瓷的显微结构主要由大尺寸等轴状晶粒组成,明显不同于(001)取向织构陶瓷(“砖墙”状)。由于三方相和四方相晶体结构的差异,导致三方相占主导的0.94NBT-0.06BT织构陶瓷在(001)取向的压电和介电性能优于(111)取向。 (6)对比研究0.94NBT-0.06BT随机取向和不同取向((001)和(111))织构陶瓷,以及同一取向织构陶瓷在不同方向的力学性能(维氏硬度及裂纹扩展特性)。研究表明随机取向陶瓷具有较高且较为集中的维氏硬度值,裂纹扩展较为单一,仅产生对角线裂纹。不同取向织构陶瓷的显微结构和取向(取向性和取向度)的差异,一方面导致(001)取向织构陶瓷(f=91%)在两个方向的硬度均高于(111)取向(f=48%),且不同取向织构陶瓷在平行方向的硬度均高于垂直方向。另一方面上述差异导致(111)取向陶瓷在垂直方向的对角线裂纹扩展程度明显大于(001)取向陶瓷。