本文關(guān)鍵詞：BNT基無鉛壓電陶瓷的制備及其性能研究

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【摘要】：長期以來,鋯鈦酸鉛基壓電陶瓷以其優(yōu)異的壓電性能占據(jù)了傳感器和致動器絕大部分的市場份額。但由于鉛基壓電陶瓷在制備過程中會產(chǎn)生嚴重的鉛污染,對人類健康也有嚴重的危害。因此,研究開發(fā)環(huán)境友好型無鉛壓電材料成為迫在眉睫的任務(wù)。鈦酸鉍鈉基無鉛壓電陶瓷是目前研究較為廣泛的無鉛壓電材料之一。與鋯鈦酸鉛系壓電陶瓷相比,鈦酸鉍鈉基無鉛壓電陶瓷具有較強的鐵電性和較高的居里溫度,但也存在著介電常數(shù)和壓電性能較低,矯頑場較大等不足。針對這些問題,本論文以鈦酸鉍鈉基無鉛壓電陶瓷為研究對象,從燒結(jié)工藝、摻雜改性、成分設(shè)計等方面對材料的相結(jié)構(gòu)和電學(xué)性能進行了系統(tǒng)的研究。采用傳統(tǒng)固相反應(yīng)法成功制備出0.94Bi0.5Na0.5Ti O3-0.06Ba Ti O3無鉛壓電陶瓷,研究了燒結(jié)溫度對其相結(jié)構(gòu)、微觀結(jié)構(gòu)和電性能的影響。結(jié)果表明,該體系是弛豫鐵電體,隨著燒結(jié)溫度的升高,彌散指數(shù)?分別為1.696、1.787、1.897、1.965,當燒結(jié)溫度為1100℃時,陶瓷的體積密度和相對密度達到最大值,分別為5.99g/cm3和98.4%,具有良好的綜合電性能:d33=180p C/N,Pr=38.7μC/cm2,Ec=37k V/cm,kp=0.331,Qm=135,tanδ=0.026。研究了不同成分和溫度對(1-x)(0.94Bi0.5Na0.5Ti O3-0.06Ba Ti O3)-x Li Nb O3(0≤x≤0.06)陶瓷場致應(yīng)變性能的影響。結(jié)果表明:Li Nb O3的摻入能夠有效地提高材料的應(yīng)變性能。當x=0.025時,由于鐵電-弛豫轉(zhuǎn)變溫度TF-R降到了室溫,應(yīng)變值達到最大值0.6%,等效壓電常數(shù)d33*=857pm/V,此外,當x=0.02時,在室溫也得到了高的應(yīng)變值0.55%,即d33*=785pm/V,同時壓電常數(shù)也達到最大值d33=245p C/N。溫度的變化也能夠顯著地改變材料的應(yīng)變性能,對于x=0.01和x=0.02,當溫度從室溫升高到TF-R附近時,等效壓電常數(shù)d33*分別從344 pm/V、617 pm/V增加到912 pm/V、836 pm/V,對于x=0.04和x=0.05,由于它們的鐵電-弛豫轉(zhuǎn)變溫度TF-R降到了室溫以下,應(yīng)變值幾乎不隨溫度而變化,出現(xiàn)了電致伸縮現(xiàn)象,電致伸縮系數(shù)Q33基本保持在0.02m4C-2。采用傳統(tǒng)固相法成功制備了單一鈣鈦礦結(jié)構(gòu)的0.96(Bi0.5Na0.5)Ti O3-(0.04-x)Ba Ti O3-x Li Nb O3(0≤x≤0.04)無鉛壓電陶瓷,研究了該體系的相結(jié)構(gòu)、致密度以及電性能。結(jié)果表明,陶瓷的相對密度均高達97%以上,致密性良好,隨著x值的增加,陶瓷的弛豫性先減小后增大,彌散指數(shù)?分別為1.907、1.844、1.746、1.593、1.708,當0.02≤x≤0.03時,存在三方相和四方相共存的準同型相界區(qū)域,陶瓷樣品在x=0.03時展現(xiàn)出最佳的綜合性能:d33=124p C/N,Pr=37.9μC/cm2,Ps=43μC/cm2,Ec=47k V/cm,εr=694,tanδ=0.045。
【關(guān)鍵詞】：無鉛壓電陶瓷 鈦酸鉍鈉 摻雜改性 燒結(jié)溫度 弛豫鐵電體 場致應(yīng)變
【學(xué)位授予單位】：南京航空航天大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號】：TM282
【目錄】：

• 摘要4-5
• Abstract5-12
• 注釋表12-13
• 第一章 緒論13-25
• 1.1 引言13
• 1.2 無鉛壓電陶瓷的研究現(xiàn)狀13-17
• 1.2.1 鈦酸鋇體系無鉛壓電陶瓷14-15
• 1.2.2 鈮酸鹽體系無鉛壓電陶瓷15-16
• 1.2.3 鈦酸鉍鈉體系無鉛壓電陶瓷16-17
• 1.3 BNT基無鉛壓電陶瓷的研究進展17-23
• 1.3.1 BNT基無鉛壓電陶瓷的相變結(jié)構(gòu)及弛豫特性的研究17-20
• 1.3.2 BNT基無鉛壓電陶瓷改性的研究20-23
• 1.3.2.1 BNT基無鉛壓電陶瓷固溶改性的研究20-21
• 1.3.2.2 BNT基無鉛壓電陶瓷摻雜改性的研究21-22
• 1.3.2.3 BNT基無鉛壓電陶瓷場致應(yīng)變的研究22-23
• 1.4 本課題的研究意義及內(nèi)容23-25
• 第二章 BNT基無鉛壓電陶瓷制備及性能表征25-35
• 2.1 引言25
• 2.2 BNT基壓電陶瓷制備工藝流程25-29
• 2.2.1 實驗原料及制備儀器25-26
• 2.2.2 混料26
• 2.2.3 預(yù)燒26-27
• 2.2.4 造粒、成型27
• 2.2.5 排塑27-28
• 2.2.6 燒結(jié)28
• 2.2.7 上電極28-29
• 2.2.8 極化29
• 2.3 BNT基壓電陶瓷性能測試29-35
• 2.3.1 體積密度測試29
• 2.3.2 XRD物相分析29-30
• 2.3.3 SEM顯微結(jié)構(gòu)分析30
• 2.3.4 電學(xué)性能表征30-35
• 2.3.4.1 介電常數(shù)30-31
• 2.3.4.2 介質(zhì)損耗31
• 2.3.4.3 鐵電回線31-32
• 2.3.4.4 場致應(yīng)變32
• 2.3.4.5 壓電常數(shù)32
• 2.3.4.6 機電耦合系數(shù)32-33
• 2.3.4.7 機械品質(zhì)因數(shù)33
• 2.3.4.8 居里溫度33-35
• 第三章 0.94BNT-0.06BT無鉛壓電陶瓷燒結(jié)性能的研究35-43
• 3.1 引言35
• 3.2 實驗概述35-36
• 3.3 不同燒結(jié)溫度對BNBT6 陶瓷致密度和相結(jié)構(gòu)的影響36-38
• 3.3.1 不同燒結(jié)溫度對BNBT6 陶瓷密度的影響36-37
• 3.3.2 不同燒結(jié)溫度對BNBT6 陶瓷顯微結(jié)構(gòu)的影響37
• 3.3.3 不同燒結(jié)溫度對BNBT6 陶瓷相結(jié)構(gòu)的影響37-38
• 3.4 不同燒結(jié)溫度對BNBT6 陶瓷電學(xué)性能的影響38-42
• 3.4.1 不同燒結(jié)溫度對BNBT6 陶瓷鐵電性能的影響38-39
• 3.4.2 不同燒結(jié)溫度對BNBT6 陶瓷壓電性能的影響39-40
• 3.4.3 不同燒結(jié)溫度對BNBT6 陶瓷介電性能的影響40-42
• 3.5 本章小結(jié)42-43
• 第四章 高場致應(yīng)變BNBT6-xLN無鉛壓電陶瓷性能的研究43-57
• 4.1 引言43-44
• 4.2 實驗概述44
• 4.3 BNBT6-xLN陶瓷致密度和相結(jié)構(gòu)的研究44-46
• 4.3.1 BNBT6-xLN陶瓷的密度和顯微結(jié)構(gòu)44-45
• 4.3.2 BNBT6-xLN陶瓷的相結(jié)構(gòu)45-46
• 4.4 常溫下BNBT6-xLN陶瓷電學(xué)性能的研究46-51
• 4.4.1 常溫下BNBT6-xLN陶瓷的鐵電性能46-47
• 4.4.2 常溫下BNBT6-xLN陶瓷的場致應(yīng)變47-49
• 4.4.3 BNBT6-xLN陶瓷的介電性能49-50
• 4.4.4 BNBT6-xLN陶瓷的相圖50-51
• 4.5 變溫下BNBT6-xLN陶瓷電學(xué)性能的研究51-55
• 4.5.1 變溫下BNBT6-x LN陶瓷的鐵電性能51-52
• 4.5.2 變溫下BNBT6-x LN陶瓷的場致應(yīng)變52-55
• 4.6 本章小結(jié)55-57
• 第五章 0.96BNT-(0.04-x)BT-xLN陶瓷相結(jié)構(gòu)和電學(xué)性能的研究57-65
• 5.1 引言57
• 5.2 實驗概述57-58
• 5.3 0.96BNT-(0.04-x)BT-xLN陶瓷致密度和相結(jié)構(gòu)的研究58-59
• 5.3.1 0.96BNT-(0.04-x)BT-xLN陶瓷的密度58
• 5.3.2 0.96BNT-(0.04-x)BT-xLN陶瓷的相結(jié)構(gòu)58-59
• 5.4 0.96BNT-(0.04-x)BT-xLN陶瓷電學(xué)性能的研究59-63
• 5.4.1 0.96BNT-(0.04-x)BT-xLN陶瓷的鐵電性能59-60
• 5.4.2 0.96BNT-(0.04-x)BT-xLN陶瓷的壓電性能60-61
• 5.4.3 0.96BNT-(0.04-x)BT-xLN陶瓷的介電性能61-63
• 5.5 本章小結(jié)63-65
• 第六章 總結(jié)與展望65-67
• 6.1 本文工作總結(jié)65-66
• 6.2 下一步工作建議與展望66-67
• 參考文獻67-75
• 致謝75-76
• 在學(xué)期間的研究成果及發(fā)表的學(xué)術(shù)論文76

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