TiO2原料、燒結(jié)方式以及Sn4+取代對(duì)鈦酸鋇壓電陶瓷物性的影響.pdf

1、壓電材料是一類能夠?qū)崿F(xiàn)機(jī)械能和電能相互轉(zhuǎn)換的重要功能電子材料，廣泛的應(yīng)用在傳感器、諧振器、濾波器、驅(qū)動(dòng)器、超聲換能器等各種電子元件和器件中。目前廣泛實(shí)用化的壓電材料主要是鋯鈦酸鉛(Pb(Zr,Ti)O3，簡(jiǎn)稱PZT)基陶瓷材料。但PZT的制備過(guò)程中需要使用大量的含鉛氧化物作為原料，在生產(chǎn)、使用和廢棄過(guò)程中會(huì)對(duì)生態(tài)環(huán)境帶來(lái)嚴(yán)重的影響。因此，發(fā)展環(huán)境友好型無(wú)鉛壓電陶瓷材料是一項(xiàng)具有重要意義的研究課題。
　　 BaTiO3陶瓷作為歷史

2、上發(fā)現(xiàn)最早的一種多晶壓電材料，在PZT之前曾得到廣泛的應(yīng)用。但是隨著B(niǎo).Jaffe等于1954年發(fā)現(xiàn)壓電性能優(yōu)良的PZT，BaTiO3陶瓷作為壓電材料的應(yīng)用逐漸減少，主要是因?yàn)橥ǔＶ苽涞腂aTiO3基陶瓷材料壓電活性太低（d33≤190pC/N）。值得注意的是，日本研究者近幾年相繼報(bào)道了利用水熱合成的BaTiO3微粉為原料，分別采用微波燒結(jié)、分步燒結(jié)和TGG技術(shù)燒結(jié)制備出了d33值分別為360、460和788pC/N的BaTiO3壓電陶

3、瓷。同時(shí)，本課題組在前期的工作中利用普通的BaCO3和TiO2粉體為原料、采用傳統(tǒng)的固相反應(yīng)工藝制備出了d33值高達(dá)419pC/N的BaTiO3陶瓷。這些研究成果說(shuō)明BaTiO3基陶瓷作為無(wú)鉛壓電材料的潛能值得做進(jìn)一步的研究。
　　 本文以普通二氧化鈦和碳酸鋇粉體為原料、制備了BaTiO3陶瓷，考察了TiO2原料、燒結(jié)工藝和Sn4+取代對(duì)BaTiO3陶瓷物性的影響。
　　 一、采用兩種不同的TiO2微粉為原料、利用傳統(tǒng)的

4、固相燒結(jié)法制備了BaTiO3陶瓷樣品。系統(tǒng)的研究了兩種TiO2原料之間的差異，以及不同原料對(duì)BaTiO3壓電陶瓷物性和微觀結(jié)構(gòu)的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，兩種TiO2原料在晶體結(jié)構(gòu)和微觀形貌方面存在較大的差別，但采用兩種TiO2原料制備出的BaTiO3預(yù)燒粉沒(méi)有明顯的區(qū)別，顆粒度均在500nm左右。利用金紅石和銳鈦礦混合晶型的TiO2為原料，1210℃保溫2h燒結(jié)制備出的BaTiO3陶瓷其d33和kp值分別為350pC/N和35.9％。利用金

5、紅石型TiO2為原料，1230℃保溫2h燒結(jié)制備出的BaTiO3陶瓷其d33和kp值分別為350pC/N和38.7％。兩種BaTiO3陶瓷的平均晶粒尺寸均在2～3μm之間。通過(guò)對(duì)兩種BaTiO3陶瓷樣品壓電物性和微觀結(jié)構(gòu)等方面的綜合比較，可以發(fā)現(xiàn)兩種TiO2原料制備出的BaTiO3陶瓷樣品沒(méi)有明顯的區(qū)別。
　　 二、研究了不同燒結(jié)工藝對(duì)BaTiO3壓電陶瓷微觀結(jié)構(gòu)和物性的影響。實(shí)驗(yàn)中采用了兩種不同的燒結(jié)方式，一種是無(wú)埋料的普通燒

6、結(jié)方式，一種是填充BaTiO3熟料的掩埋燒結(jié)方式。以普通BaCO3和兩種TiO2粉體為原料，采用兩種TiO2原料進(jìn)行了燒結(jié)方式的對(duì)比實(shí)驗(yàn)并考察了最終制備出的BaTiO3壓電陶瓷的性質(zhì)。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，采用掩埋燒結(jié)方式制備出的BaTiO3陶瓷的壓電性能要高于采用普通燒結(jié)方式制備出的BaTiO3陶瓷。在TiO2原料B情況下，壓電常數(shù)d33由350pC/N提高到了380pC/N，kp由38.7％提高到45.2％。同時(shí)更為明顯地，掩埋燒結(jié)有效地提高了

7、BaTiO3陶瓷樣品的密度，與無(wú)埋料的普通燒結(jié)方式相比，相對(duì)密度從93.1％提高到了98.7％。我們推測(cè)密度的提高與陶瓷體中形成了游離氧并且和游離氧進(jìn)駐晶界有關(guān)。通過(guò)斷面掃面電鏡圖片可以進(jìn)一步觀察到，兩種燒結(jié)方式制備出的BaTiO3陶瓷的微觀結(jié)構(gòu)存在很大的差異。利用普通燒結(jié)方式制備出的BaTiO3陶瓷樣品，晶粒分布比較均勻，平均晶粒尺寸約為2μm;而利用掩埋燒結(jié)方式制備出的BaTiO3陶瓷樣品存在晶粒異常生長(zhǎng)的現(xiàn)象，呈現(xiàn)出小晶粒鑲嵌在大

8、晶粒中的微觀形貌。隨著燒結(jié)溫度的提高，掩埋燒結(jié)制備出的BaTiO3陶瓷呈現(xiàn)出大晶粒的微觀結(jié)構(gòu)，卻表現(xiàn)出了優(yōu)異的壓電性能。這一結(jié)果不同于本研究組前期工作中得到的關(guān)于BaTiO3陶瓷尺寸效應(yīng)“d33在平均晶粒粒徑為1μm附近呈現(xiàn)最大值”的規(guī)律，同時(shí)也說(shuō)明了大晶粒BaTiO3陶瓷也可以具有優(yōu)良的壓電性能。
　　 三、研究了Sn4+取代對(duì)BaTiO3陶瓷物性的影響。首先研究了BaTiO3壓電陶瓷的溫度穩(wěn)定性問(wèn)題，較差的壓電活性溫度穩(wěn)定性

9、嚴(yán)重影響了BaTiO3陶瓷作為無(wú)鉛壓電材料的應(yīng)用前景。然而，實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)相比較四方晶相，BaTiO3壓電陶瓷在正交晶相具有較好的溫度穩(wěn)定性。通過(guò)適量的Sn4+進(jìn)行Ti位取代，使得陶瓷樣品在室溫下處于溫度穩(wěn)定性較好的正交晶相，從而有效地改善了BaTiO3陶瓷的溫度穩(wěn)定性。但Sn4+的加入同時(shí)也導(dǎo)致了Ba(Ti，Sn)O3室溫下的壓電活性有所下降。通過(guò)在Ba(Ti，Sn)O3陶瓷中添加適量的CuO助燒劑，利用CuO低熔點(diǎn)的特性，降低燒結(jié)溫度，抑