【摘 要】
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压电陶瓷是一种广泛应用于传感器、换能器和致动器等民用仪器以及军工领域的信息功能材料,其中钛酸铋钠（BNT）基无铅压电陶瓷因其具备良好的电学性能,被认为是最有可能取代铅基压电陶瓷的环境友好型无铅压电陶瓷之一。目前通过添加新组元和掺杂改性的方法来改善BNT压电陶瓷的性能较为有限,而利用织构化技术制备晶粒择优取向的织构化陶瓷是大幅度提高无铅压电陶瓷性能的有效途径。因此,本文围绕BNT基织构化陶瓷展开研究
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压电陶瓷是一种广泛应用于传感器、换能器和致动器等民用仪器以及军工领域的信息功能材料,其中钛酸铋钠（BNT）基无铅压电陶瓷因其具备良好的电学性能,被认为是最有可能取代铅基压电陶瓷的环境友好型无铅压电陶瓷之一。目前通过添加新组元和掺杂改性的方法来改善BNT压电陶瓷的性能较为有限,而利用织构化技术制备晶粒择优取向的织构化陶瓷是大幅度提高无铅压电陶瓷性能的有效途径。因此,本文围绕BNT基织构化陶瓷展开研究,期望对无铅压电陶瓷应用研发起到一定的作用。本文以BNT-BKT二元体系作为研究主体,主要研究了高纯度大尺寸的片状钛酸铋（Bi T）模板晶粒的制备工艺,并以不同尺寸的Bi T片状晶为模板,通过反应模板晶粒生长法（RTGG）制备BNKT-In织构化陶瓷,分析模板晶粒尺寸对其结构和性能的影响,并在此基础上,进一步系统探究烧结温度对Nb、Ta等量共掺BNKT基织构化陶瓷结构和性能的影响。基于高纯度大尺寸Bi T模板晶粒的制备需求,研究Na Cl、Na Cl-KCl和KCl三种熔盐体系和合成条件对Bi T模板纯度和尺寸的影响。研究结果表明,只有KCl熔盐体系制备的Bi T模板晶粒无杂相生成,并且随着合成温度的升高或者保温时间的延长,模板晶粒在径向和厚度方向尺寸都有所增大,产物中细小颗粒逐渐减少。通过工艺优化,采用KCl为熔盐,在1140℃保温8 h,可获得高纯度大尺寸Bi T模板晶粒,其尺寸为1.65～30.12μm,平均尺寸为7.92μm,平均厚度为0.67μm,方向比为11.82。基于模板晶粒研究的基础上,以三种不同尺寸的Bi T模板晶粒为模板,通过反应模板晶粒生长法（RTGG）制备了BNKT-In织构化压电陶瓷,系统研究了Bi T模板晶粒尺寸对BNKT-In织构化压电陶瓷结构及性能的影响。实验研究结果表明,模板晶粒尺寸对BNKT-In陶瓷样品的压电性能影响较大,随着Bi T模板晶粒尺寸的增大,样品晶粒尺寸、(933和(9*33均呈现增大趋势。采用大尺寸模板晶粒所制备的织构法陶瓷具有优异的综合性能。当烧结温度为1160℃时,大模板的织构法陶瓷压电常数(933=286p C/N,最大双极应变值达到了0.51%@5 k V/mm,逆压电常数(9*33=1116 pm/V@4k V/mm,相较于同等处理条件的固相法陶瓷而言,(933提升78%,(9*33提高1.82倍。为了进一步提高最大应变和逆压电性能,在BNKT-In织构化陶瓷研究的基础上,选取大尺寸片状晶（即1140℃保温8 h的Bi T模板晶粒）为模板,采用RTGG法制备了铌、钽等量共掺BNKT基织构化陶瓷。研究结果表明烧结温度对样品的结构和性能具有较大影响,当烧结温度为1140℃时,掺杂量为0.0075的织构法陶瓷(933为63p C/N,最大双极应变值为1.02%@7 k V/mm,逆压电常数(9*33为1724 pm/V@5 k V/mm,相比于固相法陶瓷,逆压电常数(9*33性能提高1.14倍,逆压电性能和应变性能达到BNT基单晶的性能水平。实验结果表明高纯度大尺寸的Bi T模板晶粒能显著提升具有高逆压电性能的BNKT基压电陶瓷的最大应变和逆压电性能,有望用于提高其它BNT基压电陶瓷的压电性能。
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