無鉛壓電陶瓷制備2

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1、...渭南師范學(xué)院本科畢業(yè)論文題目：無鉛壓電陶瓷的制備及其研究進(jìn)展專業(yè)：材料化學(xué)學(xué)院：化學(xué)與生命科學(xué)學(xué)院畢業(yè)年份：2013姓名：丁妮學(xué)號(hào)：090944080指導(dǎo)教師：李俊燕職稱：講師渭南師范學(xué)院教務(wù)處制......無鉛壓電陶瓷的制備及其研究進(jìn)展丁妮(渭南師范學(xué)院化學(xué)與生命科學(xué)學(xué)院材料科學(xué)系09級(jí)1班)摘要：無鉛壓電陶瓷的開發(fā)和應(yīng)用已經(jīng)成為各個(gè)國(guó)家的研究熱點(diǎn)。本文從粉體制備方法和陶瓷制備技術(shù)兩個(gè)方面綜述了近幾年無鉛壓電陶瓷制備方法（如共沉淀法、溶膠-凝膠法、水熱法、熔鹽法、晶粒定向技術(shù)等），對(duì)制備出的無鉛壓

2、電陶瓷的性能與傳統(tǒng)方法進(jìn)行了對(duì)比，分析了目前研究的五類無鉛壓電陶瓷的特點(diǎn)和性能，最后指出其未來發(fā)展趨勢(shì)。關(guān)鍵詞：無鉛壓電陶瓷；制備方法；水熱法；陶瓷晶粒定向技術(shù)壓電陶瓷是一種能夠?qū)崿F(xiàn)機(jī)械能與電能之間轉(zhuǎn)換的新型功能材料，與壓電晶體相比，具有易制成復(fù)雜形狀、成本低、機(jī)電耦合系數(shù)大、壓電性能可調(diào)節(jié)性好以及優(yōu)越的光、電、熱、磁力學(xué)性能和化學(xué)穩(wěn)定性等優(yōu)點(diǎn)，已廣泛用于電子、通信、航空、發(fā)電、探測(cè)、冶金、計(jì)算機(jī)等諸多領(lǐng)域[4]。傳統(tǒng)壓電陶瓷主要是以含鉛的鋯鈦酸鉛(PZT)系材料為主，其主要成分是氧化鉛(60～70%以上

3、)。氧化鉛是一種易揮發(fā)的有毒物質(zhì)，在生產(chǎn)、使用及廢棄后的處理過程中，都會(huì)給人類和生態(tài)環(huán)境造成損害。PbO的揮發(fā)也會(huì)造成陶瓷中的化學(xué)計(jì)量比的偏離，使產(chǎn)品的一致性和重復(fù)性降低，需要密封燒結(jié)，使成本提高[1,2,3,7,8]。因此，研究開發(fā)高性能的無鉛壓電陶瓷具有非常重要的科學(xué)意義和緊迫的市場(chǎng)需求，逐漸成為研究的熱點(diǎn)。1無鉛壓電陶瓷的概念和分類無鉛壓電陶瓷是指不含鉛的壓電陶瓷，其更深層含義是指既具有滿意的使用性又有良好的環(huán)境協(xié)調(diào)性的壓電陶瓷，它要求材料體系本身不含有可能對(duì)生態(tài)環(huán)境造成損害的物質(zhì)，在制備、使用及廢

4、棄后處理過程中不產(chǎn)生可能對(duì)環(huán)境有害的物質(zhì)，在制備、使用及廢棄后處理過程中也不對(duì)人類及生態(tài)環(huán)境造成危害[5]。目前研究的無鉛壓電陶瓷材料按組成可分為以下幾類：鈦酸鋇基無鉛壓電陶瓷、鈮酸鹽基無鉛壓電陶瓷、Na0.5Bi0.5TiO3(BNT)基無鉛壓電陶瓷、鎢青銅結(jié)構(gòu)無鉛壓電陶瓷和鉍層狀結(jié)構(gòu)無鉛壓電陶瓷。這些材料和傳統(tǒng)的PZT基壓電陶瓷相比，雖然有各自的特點(diǎn)，但壓電性能比較差，不能完全取代目前廣泛使用的PZT基壓電陶瓷，為了提高無鉛壓電陶瓷的壓電性能，人們已經(jīng)在改變組分、摻雜改性等方面進(jìn)行了大量的研究。作為無

5、鉛壓電陶瓷材料研究、應(yīng)用的基礎(chǔ)，制備方法在提高無鉛壓電陶瓷性能方面顯得尤為重要。2無鉛壓電陶瓷的制備方法2.1粉體制備方法......目前，固相法由于具有成本低、產(chǎn)量高以及制備工藝較簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)而成為無鉛壓電陶瓷最常用的制備方法，但是通過該方法制備的粉體，各種原料很難混合均勻，易混入雜質(zhì)，且粉料活性較差，煅燒溫度高，易造成組分的揮發(fā)，影響燒結(jié)樣品的致密化，從而降低了樣品性能。近幾年來，人們開始研究軟化學(xué)法制備陶瓷粉體以克服傳統(tǒng)工藝的不足。軟化學(xué)合成方法由于具有化學(xué)計(jì)量比準(zhǔn)確、化學(xué)均勻性高以及成相溫度低、致密

6、化程度高、電學(xué)性能優(yōu)異等優(yōu)點(diǎn)而備受青睞。目前，制備元鉛壓電陶瓷的軟化學(xué)方法主要有共沉淀法、溶膠-凝膠法、熔鹽法和水熱法等[6]。2.1.1共沉淀法共沉淀法為在含有多種金屬離子的溶液中加入沉淀劑利用Ksp作為理論依據(jù)，使金屬離子完全、同時(shí)沉淀[9]。杜仕國(guó)等[10]將草酸滴人BaCl2和TiCl4(或Ti(NO3)4、Ba(N03)2)的混合水溶液中，得BaTi(C2O4)2·4H2O的高純度沉淀，經(jīng)過濾、洗滌、熱分解后，得到BaTiO3納米微粒。因?yàn)楣渤恋矸ㄔ谥苽溥^程中就能完成反應(yīng)及摻雜過程，故也可用于功

7、能陶瓷的制備，如以H2Ti03、H2O2、NH3和Ca(NO3)2為原料，合成出CaTiO3。此法也可用于制備ZrO2基陶瓷粉體，如Zr02-Y203、Zr02-MgO、Zr02-A1203等[11]。共沉淀法的優(yōu)點(diǎn)為原料和工藝條件可控，有利于雜質(zhì)的排除，生成的產(chǎn)物具有較高的化學(xué)均勻性，粒度較細(xì)，顆粒尺寸分布較窄，可實(shí)現(xiàn)一定的形貌控制。缺點(diǎn)為化學(xué)組分偏離且均勻性差，有粉體團(tuán)聚現(xiàn)象，所以不適用于制備精確化學(xué)計(jì)量比的粉體。2.1.2溶膠-凝膠法溶膠凝膠法的基本原理是：易于水解的金屬化合物(無機(jī)鹽或金屬醇鹽)在

8、某種溶劑中與水發(fā)生反應(yīng)，經(jīng)過水解與縮聚過程逐漸凝膠化，再經(jīng)干燥燒結(jié)等后處理得到所需材料[12]。因此許多學(xué)者對(duì)其進(jìn)行了研究。趙明磊等[13]發(fā)現(xiàn)用溶膠-凝膠法制備的組分為(Bi0.5Na0.5)0.94-Ba0.06TiO3無鉛壓電陶瓷，其壓電常數(shù)(d33=173pC/N)與傳統(tǒng)工藝制備相同組分的無鉛壓電陶瓷(d33=125pC/N)相比提高了約40%。Hou等[14,15]采用溶膠-凝膠工藝制備了高度均勻、致密(相對(duì)密度達(dá)到