钛酸钡基陶瓷的高温电场烧结研究

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钛酸钡(BaTiO3)陶瓷具有良好的压电与介电性能,在传感器、超声换能器、微位移器和其它电子元器件等方面得到了广泛的应用,是目前为止最具有应用前景的无铅压电陶瓷材料。但传统的固相烧结工艺,使得BaTiO3陶瓷需要较高的温度和较长的时间才能烧结致密,而且在烧结过程中不可避免的晶粒生长也影响了材料的应用。而近年来从场助烧结中发展出的闪烧技术,凭借能快速烧结致密化细晶陶瓷的优势,展现出巨大的应用前景。首先,本文采用闪烧技术,通过控制热处理温度、电流密度和保温时间的烧结工艺。研究对BaTiO3陶瓷结构与性能的影响。结果表明:在高电场强度条件下,较高的热处理温度能够产生一定量的杂相。随着热处理温度的升高,缺陷和气孔逐渐增多并且分布不均匀,导致样品的密度下降,压电介电性能的无规律变化。而功率密度的提高和带场热处理时间的延长,样品的缺陷含量和显微组织不均匀程度明显增加,压电介电性能总体上呈现下降的趋势。其次,利用液相辅助烧结,在Ba TiO3中添加1mol%的Bi2O3后,通过控制热处理温度,电流密度和保温时间的烧结工艺研究液相环境下的Ba Ti O3高电场强度辅助烧结。结果表明:Bi2O3的添加延缓了BaTiO3闪烧烧结的起始温度。并且当热处理温度低于闪烧点时,晶粒生长并不明显,而当热处理温度超过闪烧温度点后,却能促进晶粒大幅度生长。此外,与采用传统烧结工艺制备的BaTiO3-Bi2O3陶瓷相比,采用高电场强度辅助烧结的Ba TiO3-Bi2O3虽然具有相对较高的压电与介电性能,但却比相同条件下制备的Ba TiO3陶瓷低。而且另一方面,不均匀的情况仍然较为明显。此外,当电场强度为25V/mm时,保温时间的延长明显降低了BaTiO3-Bi2O3陶瓷的密度,并且导致样品显微组织明显的不均匀。最后,本文还尝试通过添加1mol%的Si3N4,通过控制热处理温度,电流密度和保温时间研究Si3N4掺杂BaTiO3的高电场强度辅助烧结。结果表明:当调节热处理温度时,发现样品正负极两端的晶粒尺寸呈出明显的规律变化。而且当采用Si3N4作为液相助烧剂时,需要较高的输入功率才能获得密度较高的样品。此外,在高电场强度辅助烧结的BaTiO3-Si3N4陶瓷,压电介电性没有呈现出明显的增加,相反的,由于相对密度偏低,而呈现出较低的性能,并且又由于显微形貌的不均匀,大部分的工艺条件下,呈现出压电介电性能的不均匀。
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