鈦酸鉍鈉基無鉛壓電陶瓷的制備技術(shù)研究.pdf

1、環(huán)境保護(hù)越來越受到人們的重視，開發(fā)環(huán)保、無毒、無污染、無鉛的環(huán)境功能材料已成必然趨勢(shì)。壓電材料是一類重要的、國際競爭極為激烈的高技術(shù)新材料。在信息、激光、導(dǎo)航和生物等高技術(shù)領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。目前，全球在大量使用的壓電陶瓷材料仍是傳統(tǒng)的含鉛壓電陶瓷，其中鉛元素在組分中含量高達(dá)60﹪以上，由于鉛的易揮發(fā)性，在生產(chǎn)、制備、使用及廢棄處理中都會(huì)對(duì)環(huán)境造成極大的污染。鉛中毒造成的危害極大，尤其是對(duì)兒童的智力造成很大損傷。隨著環(huán)保意識(shí)的日益深入，國際上

2、正積極通過法律、法規(guī)、政府指令等形式對(duì)含鉛的電子產(chǎn)品加以禁止。目前，由于無鉛的壓電陶瓷從整體性能上還無法替代傳統(tǒng)含鉛壓電陶瓷，它的實(shí)際應(yīng)用就主要集中在某個(gè)單項(xiàng)性能的應(yīng)用。本文就針對(duì)中頻濾波器使用的壓電材料，對(duì)其進(jìn)行無鉛化改性研究。 鈦酸鋇材料是最早開發(fā)的壓電陶瓷之一，多年來，改性鈦酸鋇一直在推陳出新，性能不斷的在變化。而且，它也是一個(gè)優(yōu)秀無鉛體系。為了提高陶瓷成分的均勻性，得到精細(xì)的陶瓷結(jié)構(gòu)，本文采用溶膠-凝膠法合成了鈦酸鋇納米

3、粉體；但是由于納米粉體的的團(tuán)聚，其燒結(jié)一直令人頭痛的問題，本文就從納米鈦酸鋇的燒結(jié)行為入手，利用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)工具，對(duì)納米鈦酸鋇的燒結(jié)工藝進(jìn)行了優(yōu)化。得到了添加劑、燒結(jié)助劑的量、燒結(jié)溫度、保溫時(shí)間等工藝參數(shù)對(duì)最終陶瓷結(jié)構(gòu)的影響規(guī)律。 鈦酸鉍鈉基壓電陶瓷近幾年來一直被認(rèn)為是最有可能替代含鉛材料的一類壓電材料。其摻雜改性是材料學(xué)家研究的熱點(diǎn)。本文在前人的基礎(chǔ)上，對(duì)壓電性最強(qiáng)的準(zhǔn)同型目界附近的鈦酸鉍鈉-鈦酸鋇固溶體進(jìn)行了摻雜改型研究。

4、 壓電材料的時(shí)間穩(wěn)定性和溫度穩(wěn)定性影響著濾波器的頻率漂移，為了提高材料的老化性能和降低材料的矯頑場(chǎng)使之易于極化，我們?cè)阝佀徙G鈉-鈦酸鋇體系中摻入了不同量的硝酸鈰(Ce(NO3)3)，研究了不同的燒結(jié)溫度和保溫時(shí)間下的介電和壓電性能，并研究了時(shí)間穩(wěn)定性和溫度穩(wěn)定性。高價(jià)態(tài)大半徑離子的引入會(huì)引起鈉離子空位以及晶格畸變，降低矯頑場(chǎng)。但是實(shí)驗(yàn)中卻發(fā)現(xiàn)三價(jià)鈰的引入會(huì)促進(jìn)鈉的大量揮發(fā)，從而產(chǎn)生焦綠石相Bi2Ti2O7，當(dāng)摻雜量超過0.3mol

5、﹪后，介電性能降低很多，而且矯頑場(chǎng)仍然很大，難以極化。摻雜量少于0.25mol﹪的陶瓷具有較好的介電行為以及很好的時(shí)間穩(wěn)定性。摻雜量在0.5mol﹪的時(shí)侯，材料具有很好的溫度穩(wěn)定性。另外，我們還研究了粉體煅燒前后摻雜三價(jià)鈰的區(qū)別，發(fā)現(xiàn)粉體煅燒后再加入三價(jià)鈰，會(huì)大大提高介電行為，而且抑制了第二相的產(chǎn)生，但是溫度穩(wěn)定性卻降低了。我們推測(cè)是晶界行為以及核殼結(jié)構(gòu)在起作用。 壓電材料的機(jī)電耦合系數(shù)決定著濾波器的帶寬，為了進(jìn)一步降低材料的矯

6、頑場(chǎng)，提高材料的機(jī)電耦合系數(shù)，我們?cè)阝佀徙G鈉-鈦酸鋇體系中摻入了四價(jià)鈰離子，根據(jù)離子半徑相近易于取代的原則，四價(jià)鈰會(huì)同時(shí)取代鈉離子和鉍離子，造成更多的陽離子空位和晶格畸變，使電疇易于隨電場(chǎng)反轉(zhuǎn)，從而降低材料的矯頑場(chǎng)，提高壓電性能。我們研究了摻入0.4wt﹪氧化鈰(CeO2)的鈦酸鉍鈉-鈦酸鋇體系在不同燒結(jié)溫度下的介電和壓電行為。它的矯頑場(chǎng)較摻入三價(jià)鈰的陶瓷大大降低，說明對(duì)鉍離子的取代能有效的改變電疇的活動(dòng)行為。當(dāng)燒結(jié)溫度高于1160℃時(shí)

7、，由于鈉和鉍的揮發(fā)，陶瓷表面會(huì)有棒狀或者條狀的第二相TiO2出現(xiàn)。但是它對(duì)陶瓷的介電、壓電性能沒有很大的影響，因?yàn)榉勰衍射表明陶瓷的內(nèi)部并沒有出現(xiàn)第二相。我們對(duì)TiO2晶粒的形成和生長，提出了模型，并詳細(xì)地作了說明。 壓電材料的機(jī)械品質(zhì)因數(shù)決定著濾波器的插入損耗，為了提高材料的機(jī)械品質(zhì)因數(shù)，我們?cè)谒膬r(jià)鈰的基礎(chǔ)上，對(duì)鈦酸鉍鈉-鈦酸鋇體系摻入了氧化錫(SnO2)。詳細(xì)的研究了0.4wt﹪CeO2&0.4wt﹪SnO2摻雜的鈦酸鉍鈉

8、-鈦酸鋇體系在不同燒結(jié)溫度下的介電、壓電性能。錫離子的摻雜進(jìn)一步降低了材料的矯頑場(chǎng)，而且減弱了材料的剩余極化強(qiáng)度，說明錫離子同時(shí)占據(jù)了鈣鈦礦的A位和B位，但是它對(duì)材料的機(jī)械品質(zhì)因數(shù)沒有明顯的提高，說明錫離子并不能有效的抑制疇壁的振動(dòng)。 最后，我們對(duì)以上摻雜的鈦酸鉍鈉-鈦酸鋇體系中的缺陷進(jìn)行了對(duì)比研究，通過XRD，電滯洄線、時(shí)效和極化前后的壓電、介電行為，研究了材料中偶極子和電疇的相互作用。發(fā)現(xiàn)時(shí)效和極化造成的介電性能降低源于兩種