BNT基无铅压电陶瓷研究

本科毕业论文答辩稀土掺杂新型BNT基无铅压电陶瓷的制备及电学性能的研究汇报人:王ХХХ（2011级材料物理）湖北大学材料科学与工程学院2015－5－14010302研究背景实验部分-删结果分析-删论文总结321目录介电体压电体热释电体铁电体PZT/BT/BNT传统的铁电压电陶瓷以铅基压电陶瓷为主，铅基压电陶瓷中的PbO含量约占原料总量的70%，在生产、使用和废弃后的处理过程中给人类及生态环境带来严重危害，而无铅化处理成本高----无铅化应用：在信息存储记忆、压电换能、电声换能、红外探测和摄像、光调制器、超声成像传感器及电容器、放大器、相移器等微波器件诸多领域有广泛应用铁电体:具有介电性、压电效应、热释电效应、铁电效应、非线性光学和良好声学性能等特性一、研究背景应用无铅压电陶瓷压电性起源研究;材料配方设计、相变研究和新相界设计;掺杂对陶瓷性能的影响及其机制;材料性能增强机理及其调控方法;介电损耗机制和提高材料机械品质因素的途径;能满足不同器件应用的系列化材料(类似于PZT系列中分别适用不同器件的系列化材料)的研究与开发;不同外部条件(压力/频率/温度)下陶瓷材料性能的变化及其机制;陶瓷的温度稳定性、老化特性及其机制;针对无铅压电陶瓷材料特性和性能参数的器件设计与制备;针对特殊器件用无铅压电陶瓷性能的改性研究;陶瓷新型制备技术及工艺的稳定性和环境协调性研究.系统化研究钛酸钡（BT）基无铅压电陶瓷钛酸铋钠（BNT）基无铅压电陶瓷铌酸钾钠（KNN）基无铅压电陶瓷铋层状结构无铅压电陶瓷钨青铜结构无铅压电陶瓷主要体系高Pr=38μC/cm2高Tc=320℃声学性能（Np=3200Hz.m)好机电耦合系数（Kt、K33）大烧结温度低高EC=7.3KV/mm，难极化铁电区电导率高，I漏大（Bi、Na）烧结温度窄化学稳定性和致密度欠佳d33100pC/N，活性低BNTBNT结构与性能BNT:A位离子复合钙钛矿结构铁电体A位Bi3+:Na+=1:1BNT结构和位移极化行为BNT基无铅压电陶瓷研究进展BNT基陶瓷相变结构与弛豫特性研究BNT基无铅压电陶瓷的改性研究研究进展1.BNT基陶瓷相变结构与弛豫特性研究弥散相变钛酸铋钠(BNT)具有较为复杂的相变过程520℃立方顺电相-四方铁弹相变立方顺电相-四方超顺电相变220℃：铁电-反铁电相变320℃：反铁电-顺电相变220-320℃是否存在反铁电相？争议：改性方法1.多元固溶改性4.制备工艺3.添加助剂2.掺杂改性研究居所2.BNT基无铅压电陶瓷的改性研究固溶改性研究重点引入其它相结构铁电相、顺电相、反铁电相等多元固溶体系如何适当地引入其它组元--新的BNT固溶体如何在MPB附近得到最优性能的BNT陶瓷如何准确地确定固溶体的MPB所在1.多元固溶改性准同型相界MPB：由于成分不同，在温度-成分相图上，随着成分的改变,相也会发生改变，那么分离两种相的边界就称为准同型相界。在准同型相界（MPB）附近铁电陶瓷的极化会相对容易和电学性能会明显改善BNT基固溶体系研究BNT二元固溶体系BNT-BiAO3(A代表Fe、Mn、Sc等)BNT-Ba(ZrTi)O3(简称BNT-BZT)BNT-ANbO3(A代表Na、K、Li)BNT-ATiO3(A代表Ba、Sr、Ca、Bi0.5K0.5等)BNT三元系固溶体如BNT-BKT-BTBNT四元系固溶体如BNT-BKT-BT-NN二元系中BNT-BT、BNT-BKT因其性能优异，广泛深入研究掺杂改性配方、MPB设计2.掺杂/取代改性•思路：借助基PZT基陶瓷的等价掺杂和不等价掺杂（“软性掺杂”和“硬性掺杂”）的经验。等价取代：用Ca2+、Sr2+、Ba2+、Bi0.5K0.5等二价离子取代Bi0.5Na0.5使BNT的ε↑、KP↑，d↑，从而提高BNT的电学性能BNT掺杂改性软性取代：高价离子取代----矫顽场强EC↓，电滞回线为矩形（瘦高）ε↑，KP↑，tgδ↑，Qm↓,不等价取代抗老化性↑，ρV↑硬性取代:低价离子取代----Ec↑、ε↓、KP↓、tgδ↓、Qm↑、抗老化性↓、ρv↓A位取代B位取代AB双位共掺取代BNT掺杂改性123Li+、K+、Ag+等→Na+Ca2+、Ba2+、Sr2+等→（Bi0.5Na0.5）2+La3+、Y3+、Sm3+等→Bi3+Zr4+、Nb5+、Zn2+、Sn4+等→Ti4+A、B位同时进行掺杂按掺杂离子占据位置来分类讨论注意：无论是A位、B位还是AB位共掺，每一个取代位可以单一离子掺杂，也可以是多种离子混掺！3.添加助剂助剂改性助烧剂离子补偿剂作用---提高烧结活性，降低烧结温度，在烧结过程中形成少量的液相促进烧结，使陶瓷气孔率减小，增加致密度，提高陶瓷的性能常用助烧剂：B2O3，Li2CO3，CuO，BaO，稀土氧化物La2O3，Y2O3，CeO2等及它们混合物采用三价稀土离子Y3+、Sm3+等进行掺杂/取代改性,因电荷、半径差异，取代效果有待较强。加入补偿Li+、Na+、K+进行电荷补偿、半径补偿。制备工艺165234共沉淀法晶粒定向生长技术水热合成法熔盐法溶胶凝胶法固相反应法4.制备工艺烧结气氛烧结温度保温时间升/降温速率.......开发新型粉体合成制备方法，改善粉体材料的活性，为制备性能优异的BNT基无铅压电陶瓷奠定基础