基本信息
- 項目名稱：
- 鉍基復合鐵電體Bi(Zn1/2Ti1/2)O3改性BNT基
- 小類：
- 能源化工
- 大類：
- 自然科學類學術(shù)論文
- 簡介：
- 項目以“鉍基復合鐵電體BZT改性BNT基”為研究內(nèi)容，研制出了居里溫度與退極化溫度較高的新型鉍基鈣鈦礦型BZT–BNT–BaTiO3無鉛壓電陶瓷體系。研究疇壁振動引起的非本征貢獻對壓電性能的影響與d33在不同應(yīng)力下的演變規(guī)律。采用In、Nd摻雜改性，得出其對BNBT5-BZT2陶瓷晶體結(jié)構(gòu)、顯微組織、介電壓電性能與極化狀態(tài)的影響。制備出d33=172pC/N，kp=0.36，性能優(yōu)異壓電陶瓷片
- 詳細介紹：
- 壓電陶瓷的發(fā)現(xiàn)與發(fā)展已有50多年，被廣泛應(yīng)用于制作超聲換能器、壓電蜂鳴器等器件，在國民經(jīng)濟、現(xiàn)代科學技術(shù)、現(xiàn)代國防中舉足輕重。但目前所用的壓電陶瓷主要是以鈣鈦礦型Pb(Ti,Zr)O3 (PZT) 為基本成分的鉛基壓電陶瓷。鉛基壓電陶瓷中PbO (或Pb3O4) 的含量約占其原料總量的70%，這類壓電陶瓷在生產(chǎn)、使用和廢棄后的處理過程中都會給人類和生態(tài)環(huán)境造成嚴重損害[1-6]。一些國家與地區(qū)正在立法或考慮立法禁止使用含鉛的電子元器件。 現(xiàn)在，最有發(fā)展?jié)摿Φ臒o鉛壓電陶瓷體系主要有鈦酸鉍鈉((Bi0.5Na0.5)TiO3)基無鉛壓電陶瓷及鈮酸鹽系(主要為K0.5Na0.5NbO3)無鉛壓電陶瓷[7]。然而, 鈮酸鹽系壓電陶瓷有一個很大的缺點，就是采用傳統(tǒng)陶瓷工藝，難以獲得致密性良好的陶瓷體。同時K0.5Na0.5NbO3體系中原料Nb2O5含量高，價格昂貴。此外，鈮酸鹽壓電陶瓷的機械品質(zhì)因數(shù)偏低也是應(yīng)用中待解決的問題。這些缺陷極大地限制了該類材料的應(yīng)用。 由于Bi具有與Pb類似的特性，即Bi在元素周期表上與Pb相鄰，具有相同的電子分布、相近的離子半徑和分子量，同時Bi的氧化物無毒，故鉍基壓電鐵電材料成為無鉛壓電鐵電材料研究的熱點。鉍基鈣鈦礦型鈦酸鉍鈉((Bi1/2Na1/2)TiO3，簡稱BNT) 陶瓷具有較高的居里溫度(Tc=320 ℃)，較大的剩余極化(Pr=38 μC/cm2)，被認為是最有可能取代鉛基壓電陶瓷的無鉛候選材料之一[8-12]。 由于簡單的化合物BiMeO3很難合成，并且在常壓下不穩(wěn)定。這樣使得研究者把目光投向B位復合離子BiMeMeO3體系。研究發(fā)現(xiàn)這類材料大都具有畸變的鈣鈦礦結(jié)構(gòu)。目前只發(fā)現(xiàn)Bi(Zn1/2Ti1/2)O3具有畸變的四方結(jié)構(gòu)[13]。因此，本文考慮在三方結(jié)構(gòu)的BNT中引入四方Bi(Zn1/2Ti1/2)O3化合物形成新型二元系(1-x)BNT-xBi(Zn1/2Ti1/2)O3，研究該體系是否存在三方、四方共存MPB結(jié)構(gòu)和電性能的變化規(guī)律。
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作品專業(yè)信息
撰寫目的和基本思路
- 目的:研究新型二元與三元BNT體系無鉛壓電陶瓷，探討這些組成與壓電介電性能、極化程度的關(guān)系，揭示影響該體系陶瓷電性能的作用機理，為研究新的無鉛壓電陶瓷提供理論和實驗依據(jù)。 思路:1.研究鉍基復合鐵電體BZT改性BNT基陶瓷的組成與結(jié)構(gòu)、介電、壓電性能、極化狀態(tài)的關(guān)系，揭示其是否存在準同型相界及其成分范圍。2.研究In、Nd摻雜對結(jié)構(gòu)、性能與極化狀態(tài)的影響規(guī)律，揭示壓電性能與極化狀態(tài)的關(guān)系。
科學性、先進性及獨特之處
- 1、提出采用極化相位角衡量極化程度與壓電性能的理論。 2、首次成功制備了純鈣鈦礦結(jié)構(gòu)、綠色環(huán)保新型二元系(1-x)BNT-xBi(Zn1/2Ti1/2)O3偽三系(0.95-x)(Bi1/2Na1/2)TiO3 –0.05BaTiO3–xBi(Zn1/2Ti1/2)O3無鉛陶瓷。 3、該研究對BNT陶瓷的主體成份設(shè)計、微量元素摻雜的工作具有借鑒和指導意義。
應(yīng)用價值和現(xiàn)實意義
- 1、采用傳統(tǒng)固相燒結(jié)法制備無鉛陶瓷具有工藝簡單、成本低及制備時間周期短、經(jīng)濟效益好、綠色環(huán)保等特點。 2、該研究對BNT陶瓷的主體成份設(shè)計、微量元素摻雜的工作具有借鑒和指導意義。 3、預計該陶瓷材料在汽車倒車雷達、換能元件、超聲美容、霧化器件與電聲器件等領(lǐng)域具有實際應(yīng)用的價值。 4、可在一定領(lǐng)域替代含鉛壓電陶瓷，綠色環(huán)保。
學術(shù)論文摘要
- 本文在三方結(jié)構(gòu)的BNT基陶瓷中引入四方結(jié)構(gòu)Bi(Zn1/2Ti1/2)O3化合物來改善電性能，揭示其是否存在準同型相界(MPB)及其成分范圍。采用固相法制備了新型二元系(1-x)BNT-xBi(Zn1/2Ti1/2)O3、偽三元系(0.95-x)(Bi1/2Na1/2)TiO3 –0.05 BaTiO3–x Bi(Zn1/2Ti1/2)O3陶瓷，研究了Bi基多離子復合鐵電體Bi(Zn1/2Ti1/2)O3對BNT、BNBT5陶瓷微觀結(jié)構(gòu)和壓電介電性能的影響，提出了采用最大極化相位角θmax衡量壓電陶瓷極化程度的理論。選擇性能較好的0.93BNT-0.05BT-0.02Bi(Zn1/2Ti1/2)O3 (BNBT5-BZT2)組分，采用微量元素In、Nd摻雜改性，研究了In、Nd摻雜對BNBT5-BZT2陶瓷晶體結(jié)構(gòu)、顯微組織、介電壓電性能與極化狀態(tài)的影響。結(jié)果表明，Nd摻雜可以顯著提高BNBT5-BZT陶瓷的壓電常數(shù)d33與機電耦合系數(shù)kp ，在摻雜量為0.01wt%時壓電性能達到最大值：d33=172pC/N，kp=0.36，接近于鉛基汽車倒車雷達用壓電陶瓷片的性能。
獲獎情況
- 廣西桂林電子科技大學第五屆“創(chuàng)新杯”自然科學類一等獎。
鑒定結(jié)果
- 該項目為學生的課外學術(shù)科技作品，內(nèi)容真實、可信。它綠色環(huán)保的社會意義，該研究對BNT陶瓷的主體成份設(shè)計、微量元素摻雜的工作具有借鑒和指導意義。
參考文獻
- [1]Zhou Q, Zhou C R, Yang H B, et al. Dielectric properties and depolarization temperature of Bi0.5(Na, K)0.5TiO3–BiFeO3 lead-free ceramics. Physica B: Condensed Matter, 2010, 405(2):613-618. [4]Zuo R Z, Ye C, Fang X S, et al. Tantalum doped 0.94Bi0.5Na0.5TiO3–0.06BaTiO3 piezoelectric ceramics. J Euro Ceram Soc, 2008, 28 (4) : 871–877. [5]賃敦敏, 肖定全, 朱建國，等. 無鉛壓電陶瓷研究開發(fā)進展[J]. 壓電與聲光，2003，25(2)：127-132. [6] 肖定全. 關(guān)于無鉛壓電陶瓷及其應(yīng)用的幾個問題[J]. 電子元件與材料,2004, 23 (11) : 1-4. [8]李靈芝, 肖定全, 朱建國, 等. 從PZT體系看無鉛壓電陶瓷的可能應(yīng)用[J].2004, 26(6):467-470. [10] 楊群保, 荊學珍, 李永祥, 等. 無鉛壓電陶瓷研究的新進展[J]. 電子元件與材料, 2004, 23(11):56-58. [11]郝俊杰, 李龍土, 王曉慧, 等. 無鉛壓電陶瓷材料研究現(xiàn)狀[J]. 硅酸鹽學報, 2004, 32(2):189-195. [12]賀連星, 李毅, 李廣成, 李承恩. 無鉛壓電陶瓷材料研究進展[J]. 電子元件與材料, 2004, 23(11):52-54. [13]王海. 鉍基無鉛壓電鐵電材料的第一性原理研究[D]. 博士學位論文，哈爾濱工業(yè)大學，2007，7 [14]周昌榮. 無鉛壓電陶瓷BNT-BKT-BiMeO3(Me=Fe, Cr, Co)電性能基機理研究[D].博士學位論文，中南大學，2008，5.
同類課題研究水平概述
- 壓電陶瓷被廣泛應(yīng)用于制作超聲換能器等電子元器件，在經(jīng)濟、科學技術(shù)、國防中舉足輕重的作用。但目前所用的壓電陶瓷主要是以鈣鈦礦型Pb(Ti, Zr)O3 (PZT) 為基本成分的鉛基壓電陶瓷。鉛基壓電陶瓷中PbO (或Pb3O4) 的含量約占其原料總量的70%，這類壓電陶瓷在生產(chǎn)、使用和廢棄后的處理過程中都會給人類和生態(tài)環(huán)境造成嚴重損害。近年來，一些國家與地區(qū)正在立法或考慮立法禁止使用含鉛的電子元器件。本項目通過研究 “鉍基復合鐵電體Bi(Zn1/2Ti1/2)O3改性BNT基”為研究內(nèi)容，研制出了性能優(yōu)良、居里溫度與退極化溫度較高的新型鉍基鈣鈦礦型Bi(Zn1/2Ti1/2)O3–(Bi1/2Na1/2)TiO3–BaTiO3無鉛壓電陶瓷體系。研究疇壁振動引起的非本征貢獻對壓電性能的影響與壓電常數(shù)在不同應(yīng)力下的演變規(guī)律。在此基礎(chǔ)上，采用微量元素摻雜改性，得出In、Nd對BNBT5-BZT2陶瓷晶體結(jié)構(gòu)、顯微組織、介電壓電性能與極化狀態(tài)的影響。制備出d33=172pC/N，kp=0.36，性能接近于鉛基汽車倒車雷達用壓電陶瓷片。為早日實現(xiàn)低成本、高性能的無鉛環(huán)保壓電陶瓷的市場化奠定基礎(chǔ)。
