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1、毕业论文文献综述应用物理无铅压电陶瓷的制备【摘要】介绍了发展无铅压电陶瓷的发展背景，给出了目前无铅压电陶瓷的最新进展，按结构性质可分为压电单晶，压电陶瓷，压电聚合物，压电复合材料，并详细介绍了每种材料的优缺点，以及他们的用途；分析了BNT陶瓷的结构为A位复合的钙钛矿型弛豫铁电体，给出了它的强铁电性能、高居里温度、压电性能优异，具有广泛应用的基础，也给出了它的与PZT相比的不足；实践中得到了掺入摩尔浓度为0.06的钛酸钡具有良好的压电性能；总结了无铅压电陶瓷的制备方法有固相烧结法、溶胶凝胶法、水热法、模板生长法等四种方法，并分析了它们的优缺点，给出了实验室中的制备方法；给出了无铅压电陶瓷的制备流
2、程图。【关键词】压电；无铅；BNT；钙钛矿型；制备方法【正文】传统的铁电压电陶瓷主要以含有铅的PZT为基系材料为主1，它的主要成分是高达60%-70%的PbO32，大量使用含铅的压电陶瓷会给环境造成很大的污染，并且由于PbO3易挥发，在烧结的过程中为防止污染环境，不得不在密封的环境中烧结2，这增加了铁电压电陶瓷的成本，也造成了产品性能的下降。在这样的背景下，国内外许多学者开始研究能够不降低使用性能的无铅的压电陶瓷。根据无铅压电陶瓷的材料和性能可以分为以下四类：1.压电单晶压电单晶中最常见水晶，可以分为人工水晶和天然水晶。目前使用的都是晶体结构具有六角晶系的-石英。石英的机械强度高，居里温度为5
3、73，固有频率高，绝缘性重复性好等。2.压电陶瓷压电陶瓷是粉体通过固相烧结过程得到的无规则多晶体。由于陶瓷内部晶粒取向的随机性，因而整体上没有压电性，压电性的取得需要通过人工极化。常用的压电陶瓷有钛酸铅系，其他二元系及在二元系中添加第三种ABO3型化合物，如：Pb(Mn1/3)Nb2/3O3组成的三元系。如果在三元系统上再加入更多的ABO3型化合物,可组成多元系压电陶瓷。此外，还有一种无铅压电陶瓷,如钛酸铋钠-钛酸钡（BNT-BT)，以及铌酸盐系列等,由于它们不含有铅，现在越来越引起人们的重视。3.压电聚合物压电聚合物是指某些经拉伸和外电场极化后具有一定的压电性能的高分子聚合物。压电聚合物具有
4、柔软，耐冲击，成型性能良好，压电电压常数高，所以很适合制作声接收元件。4.压电复合材料压电复合材料是指压电陶瓷和压电聚合物按一定的体积比，以一定的连接方式和空间分布方式复合而成的共同体。目前性能较好的是BNT。文献中给出：BNT是一种A位复合取代的钙钛矿型弛豫铁电体，如图，这些氧离子形成氧八面体，B离子处于中心位置。整个晶体可看成由氧八面体共顶点联接而成，各氧八面体之间的空隙则由A离子占据，具体结构所示。它具有较强的铁电性，在室温具有相当大的剩余极化强度(Pr=3.810-6Ccm )和矫顽场强(Ec= 7.310 Vcm)。它的压电性能优异，具有广泛应用的优点：机电耦合系数各向异性较大(kt
5、约50，kp约13)，用作厚度振动的振子，容易除去不必要的振动；居里温度较高(320)；相对介电常数较小(240340)；热释电性能与BaTiO3和PZT相当：声学性能好(Np=3200 Hzm)，在超声方面应用较PZT优越；而且烧结温度低，一般在1 200以下。所以它被广泛看好认为是可取代铅基压电陶瓷体系之一。然而它也有不足的地方，室温下BNT矫顽场强较高，在铁电相区电导率大；而且难以烧成致密样品2,3。这就使得BNT陶瓷的极化非常困难，陶瓷的压电性能不能充分表现出来。加之该系陶瓷中Na2O易吸水，使陶瓷的化学物理性质稳定性欠佳。因此，单纯的BNT陶瓷难以实用化。目前主要参考PZT的掺杂对B
6、NT掺杂进行性能的改进6。其中研究比较深入而且成熟的是在BNT中掺入钛酸钡BT，组成BNBT系统，并向其中加入KN，形成(1-x)Bi0.47Na0.47Ba0.06TiO3-xKNbO3（BNBT-xKN）陶瓷，有利于提高陶瓷的压电性4。 经过实践，在应用中使用的x=0.06的BNBT具有良好的压电性能。现阶段的无铅压电陶瓷的制备方法有如下几种：1.固相烧结法先用球磨机将基体材料先磨制成粉，然后按照化学计量配比制成坯体。由于压电陶瓷的性能和粉体本身紧密相关，这些因素包括颗粒的均一性、纯度、粒度和化学计量比等，所以在制作中耗时长，并且也耗能。但它却是目前实验室内最成熟的制备陶瓷的方法。2.溶胶
7、凝胶法是指在液相下将高活性的基材料和掺杂的材料或者组分混合反应，形成溶胶体系，然后缓慢聚合形成失去流动性的凝胶，再将凝胶干燥、烧结固化成被掺杂、被改变其组分的坯体。由于它在液相下混合反应，使得制备的材料混合均匀，并且粒子尺寸可处于纳米区间。3.水热法先将材料在某种条件下溶解于水，并改变温度使之从不饱和溶液变成饱和溶液析出晶体。4.模板生长法先将籽晶置入反应的原料中，热处理后，生成的晶体会在定向的模板上成核生长，形成具有定向排列方向的织构陶瓷。它的结构与单晶类似，但这种生长会对晶体的生长大小有限制，不易普及应用。实验室中使用固相烧结法。具体过程如图所示现阶段的无铅压电陶瓷的研究现状，在无铅压电陶
8、瓷的研究方面，已经取得了较大的发现，但仅仅还是停留在实验室水平上，无法取代PZT以进行实际应用，主要问题还是在性能以及制造成本上与成熟的PZT存在差距。比较有望在最近能够实现替换PZT的是含铋钙钛矿型压电陶瓷BNT。参考文献：1.X. X. Wang,a) X. G. Tang, and H. L. W. Chan. Electromechanical and ferroelectric properties of .Bi1/2Na1/2.TiO3.Bi1/2K1/2.TiO3BaTiO3 lead-free piezoelectric ceramics JPHY，2004，85：91-932
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