本文關鍵詞：鐵酸鉍基高性能無鉛壓電陶瓷的制備及性能調控研究

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【摘要】：鐵酸鉍(BiFeO3)是一種具有簡單鈣鈦礦結構的多鐵材料,因為其具有高居里溫度(Tc約為1100℃)和高奈爾溫度(TN約為640℃),是少數(shù)的能在室溫條件下呈現(xiàn)出鐵電性和鐵磁性的單相多鐵材料,所以具有非常廣闊的應用前景。但它也同時具有較大的缺陷：燒結時容易產(chǎn)生雜相；Bi揮發(fā)與Fe變價容易生成氧空位；電阻率較低；漏電流較大；室溫下很難得到飽和的電滯回線。針對鐵酸鉍的這些缺陷,目前的應對方式主要有以下兩種：一是與其他鈣鈦礦材料進行固溶；二是選取適宜的元素進行摻雜改性。本文則同時采用了這兩種方法,先是通過固相反應法制備了鐵酸鉍-鈦酸鋇(BF-BT)的二元系固溶體,并對其結構和性能進行了研究；然后在BF-BT的基礎上選取Mn元素單獨摻雜和Zr、Hf兩種元素共摻雜,研究了這些摻雜元素對陶瓷結構和性能的影響。首先,采用固相反應法制備了(1-x)BiFeO3-xBaTiO3二元系無鉛壓電陶瓷,并對其物相、形貌、介電、壓電性能進行了研究。通過XRD和SEM圖可以得知,BT的加入能夠有效抑制雜相的生成,促進陶瓷晶粒的增長(由2gm增加到了5μm左右),并且隨著含量的增加能夠引起陶瓷物相的變化(由三方相轉變?yōu)閭瘟⒎较?。介電損耗也因為固溶作用而降低,壓電性能則隨之增強,并在x=0.3時達到最大值30pC/N。同時,考察了一種新的制備方法——快速燒結法,省去了固相反應法中預燒和二次球磨兩個步驟,通過對比發(fā)現(xiàn)產(chǎn)物陶瓷在最終性能上并沒有表現(xiàn)出優(yōu)越的地方,說明預燒步驟的省略并不能減少Bi元素的揮發(fā)。然后,在上述實驗的基礎上,制備了Bi元素過量的0.7BF-0.3BT陶瓷。最終結果表明Bi元素的過量加入有效地抑制了Bi元素的揮發(fā),保證了最初的化學計量比,陶瓷的致密度由此升高,孔隙率降低。結構的改善使得性能獲得增強,Bi過量的產(chǎn)物陶瓷壓電性能更為優(yōu)異。最后,在BF-BT的基礎上進行了Mn元素的單獨摻雜改性和Zn、Hf兩種元素的共同摻雜改性。研究表明,Mn元素的加入能夠顯著降低陶瓷的漏電流,陶瓷的電絕緣性因此增強,介電損耗減小。并且Mn的摻入能夠明顯促進晶粒的生長,排列也變得更加致密。Zn、Hf兩種元素的摻入顯著地提高了陶瓷的耐電壓性,能夠測得閉合的電滯回線,陶瓷的鐵電性能得到改善。與此同時,陶瓷的致密度也大為提高,相對密度接近97.1%,漏電流也得到了抑制。在摻入量x=0.03時,得到了最高的壓電常數(shù)44pC/N。
【關鍵詞】：鐵酸鉍 鈦酸鋇 固相反應法 摻雜改性 壓電性能
【學位授予單位】：北方工業(yè)大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2016
【分類號】：TM282
【目錄】：

• 摘要3-5
• ABSTRACT5-10
• 第一章 緒論10-21
• 1.1 壓電陶瓷概述10-14
• 1.1.1 基本概念10
• 1.1.2 壓電效應10-13
• 1.1.3 壓電陶瓷的發(fā)展和應用13-14
• 1.2 無鉛壓電陶瓷的研究現(xiàn)狀14-18
• 1.2.1 無鉛壓電陶瓷的研究意義14-15
• 1.2.2 無鉛壓電陶瓷的分類15-18
• 1.3 本論文研究的內容、目的及意義18-21
• 1.3.1 本論文研究的內容18-20
• 1.3.2 本論文的目的及意義20-21
• 第二章 樣品陶瓷的制備與表征21-28
• 2.1 引言21
• 2.2 制備工藝流程21-24
• 2.3 陶瓷的表征24-27
• 2.3.1 陶瓷的結構和形貌表征24-25
• 2.3.2 陶瓷性能的表征25-27
• 2.4 本章小結27-28
• 第三章 BF-BT無鉛壓電陶瓷的結構和性能28-42
• 3.1 BF-BT二元固溶體系的結構和性能28-34
• 3.1.1 BF-BT固溶體的制備28
• 3.1.2 BF-BT固溶體的結構28-31
• 3.1.3 BF-BT產(chǎn)物陶瓷的性能31-33
• 3.1.4 0.7BF-0.3BT壓電陶瓷的結構和性能33-34
• 3.2 快速燒結法制備0.7BF-0.3BT壓電陶瓷34-38
• 3.2.1 快速燒結法34-35
• 3.2.2 快速燒結法制備的0.7BF-0.3BT陶瓷的結構35-36
• 3.2.3 快速燒結法制備的0.7BF-0.3BT陶瓷的性能36-38
• 3.3 Bi過量0.7BF-0.3BT壓電陶瓷的結構和性能38-41
• 3.3.1 Bi過量對0.7BF-0.3BT陶瓷物相的影響38-39
• 3.3.2 Bi過量對0.7BF-0.3BT陶瓷微觀形貌的影響39
• 3.3.3 Bi過量對0.7BF-0.3BT陶瓷性能的影響39-41
• 3.4 本章小結41-42
• 第四章 Mn摻雜對BF-BT壓電陶瓷結構和性能的影響42-46
• 4.1 引言42
• 4.2 Mn元素摻雜對BF-BT陶瓷結構上的影響42-43
• 4.3 Mn摻雜對0.7BF-0.3BT陶瓷性能上的影響43-45
• 4.3.1 Mn摻雜對0.7BF-BT陶瓷介電性能的影響43-44
• 4.3.2 Mn摻雜對0.7BF-BT陶瓷壓電性能的影響44-45
• 4.4 本章小結45-46
• 第五章 Zn、HF摻雜對BF-BT壓電陶瓷結構和性能的影響46-52
• 5.1 引言46-47
• 5.2 Zn、Hf元素摻雜對0.75BF-0.25BT陶瓷結構的影響47-49
• 5.2.1 BF_(1-x)(Hf_(0.5)Zn_(0.5))_x-0.25BT壓電陶瓷的物相47
• 5.2.2 BF_(1-x)(Hf_(0.5)Zn_(0.5))_x-0.25BT壓電陶瓷的微觀形貌47-49
• 5.3 Zn、Hf元素摻雜對0.75BF-0.25BT陶瓷性能的影響49-51
• 5.3.1 BF_(1-x)(Hf_(0.5)Zn_(0.5))_x-0.25BT壓電陶瓷的介電性能49
• 5.3.2 BF_(1-x)(Hf_(0.5)Zn_(0.5))_x-0.25BT壓電陶瓷的鐵電性能49-50
• 5.3.3 BF_(1-x)(Hf_(0.5)Zn_(0.5))_x-0.25BT壓電陶瓷的壓電性能50-51
• 5.4 本章小結51-52
• 第六章 結論與展望52-54
• 參考文獻54-59
• 在學期間的研究成果59-60
• 致謝60

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