摘要
压电陶瓷的应用领域广泛，已经成为人们生活中不可或缺的器件材料之一。目前，市场上应用范围最广、数量巨大的是以PZT基为代表的含铅压电陶瓷，含铅压电陶瓷中铅含量达到质量分数的60%以上，无论在生产、使用还是以后的报废过程中，都会产生大量的铅污染，对环境和人体健康有很大的毒害作用。随着社会的发展和科学技术的进步，人们对生活质量有着越来越高的要求，所以急需无铅压电陶瓷来替代含铅压电陶瓷，满足人们的日常生活需求。钛酸钡(BaTiO3，简称BT)作为发现最早的压电陶瓷材料，距今已经有八十多年的应用历史，但钛酸钡压电陶瓷巨大的应用潜力还未被充分挖掘，其压电性能和居里温度等还有较大的提升空间。因此，通过优化工艺细节、改进实验方法或开发新的工艺来提升BT基无铅压电陶瓷的压电性能和居里温度是最主要的工作和任务。本论文先从探索纯相BT的制备工艺开始，然后优化工艺细节、探索新的工艺技术和通过掺杂调控相结构对BT基陶瓷的性能提升进行研究，具体内容包括如下方面： (1)通过氧化处理工艺，在传统固相法的基础上，对BT陶瓷内部微观结构进行调控，获得的BT无铅压电陶瓷具有内部微观结构缺陷少、致密度高的特点。通过XRD晶相分析，发现未经氧化处理和经过氧化处理的BT压电陶瓷均呈现单一的四方相钙钛矿结构，没有杂相。利用氧化处理，样品的致密性得到提升，微裂纹、孔洞等微观结构缺陷减少，介电和压电性能得到极大的提升。样品的最佳烧结温度为1350℃，经过氧化处理，BT压电陶瓷的平均晶粒尺寸达到36.39μm，相对密度达到99%以上，居里温度Tc为126℃，压电常数d33的数值为271pC/N，室温相对介电常数εr在3800以上，最大相对介电常数εrmax在23800以上。 (2)针对氧化处理后BT压电陶瓷居里温度较低的问题，开展了第二项工作。将具有较高的压电常数、较低的居里温度的BT与较高居里温度、较低的压电常数的BiFeO3(简称BF)结合，在此基础上进行Ca、Sn元素的掺杂(Sn元素定量0.03mol%)，得到0.70BiFeO3-0.30BaTiO3-0.03mol%Sn-xmol%Ca压电陶瓷(简称0.70BF-0.30BT-0.03mol%Sn-xmol%Ca)。本论文研究了不同Ca含量(x=0-1mol%)下陶瓷的晶格结构、相组成的变化。研究发现，Ca原子会进入0.70BF-0.30BT的晶格中，不会造成相组成发生改变，但会造成晶格参数改变，从而引起XRD峰发生偏移。研究发现，与0.70BF-0.30BT-0.03mol%Sn陶瓷相比，随着Ca含量的增大，其d33先增大后减小，居里温度变化不大，Ca的最佳掺杂含量为x=0.05%；随着Ca、Sn元素的掺入，其最佳预烧温度为760℃，最佳烧结温度为960℃。当x=0.05时，该样品的相对密度为96.40%，平均晶粒尺寸为2.22μm，d33为197pC/N，居里温度在450℃以上，较BT的居里温度提升了330℃。 (3)为了更加充分的将BF和BT两相混合，进一步优化BF-BT的性能，改变预烧工艺，利用水热合成法进行合成，烧结后得到高性能的0.70BF-0.30BT压电陶瓷。结果表明，水热合成法合成的0.70BF-0.30BT陶瓷的相组成与传统固相法相比没有发生变化，但样品的形貌和介电、压电等电学性有明显的提升。与传统固相法相比，水热法得到的样品的平均晶粒尺寸增大0.06μm；相对密度提升1.70%，结构更加致密；样品的最佳性能：d33=201pC/N，Tc=530℃。
NETL