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近年来,具有压电以及铁电性能的材料由于其在传感器以及换能器的制造方面的应用而受到广泛的关注,在这些材料中,锆钛酸铅系列材料以其优越的压电性能而被大量应用于机电系统设备的制造。但锆钛酸铅系列材料中氧化铅含量较高,氧化铅在高温下易挥发,而铅对环境以及人类的健康都有着极大的危害,因此,研究与开发无铅压电材料成为目前相关科研工作的当务之急。无铅压电材料钛酸铋钠(Bi0.5Na0.5)TiO3(BNT)由于其优异的介电以及压电性能,被认为是最有潜力替代目前广泛使用的锆钛酸铅(PZT)压电陶瓷的材料之一。本实验中分别采用固相法和水热法制备BNT基压电材料的陶瓷粉体,研究粉体制备方法对粉体颗粒形貌的影响,并将其经由烧结制备成陶瓷,测试其性能。
当使用固相反应法制备BNT-BKT-BLT-BT粉体时,预烧温度为800℃时钙钛矿结构已经形成,预烧温度升高,杂相减少,同时,烧结温度也影响着陶瓷收缩率及致密度的变化。实验还研究了钙掺杂对BNT-BKT-BLT-BCT压电陶瓷的结构性能、介电性能及压电性能的影响,发现钙掺杂不会改变BNT-BKT-BLT-BCT材料的钙钛矿结构,并且适量的钙掺杂还可以提高BNT-BKT-BLT-BCT陶瓷的介电与压电性能,当钙掺杂量为0.02时,BNT-BKT-BLT-BCT陶瓷的相对介电常数εr达到1305,压电常数达到115pC/N,而介电损耗tanδ降为0.021。
在水热法制备BNT粉体的实验中,NaOH浓度对粉体的相组成和颗粒形貌都有重要的影响,NaOH浓度较低时会有杂相生成,提高NaOH的浓度,杂相减少,当NaOH浓度大于6mol/L时可以生成较为纯净的BNT。同时,钡与钾的加入可以显著改变BNT粉体的颗粒形貌,在水热法制备的BNT-BT与BNT-BKT-B粉体中存在两种不同的颗粒形貌:等轴晶与长柱状,实验检测分析,钡与钾的加入有利于BNT-BT与BNT-BKT-BT晶体的定向生长。将水热合成制备的粉体经烧结制成陶瓷,陶瓷的压电常数为55pC/N,相对介电常数εr为980,介电损耗tanδ为0.031,kt/kp为1.591,其压电性能较固相法制各的陶瓷略低,但机电耦合系数的各向异性优于固相法制备的陶瓷。