化工技术:BNKT-NKS压电陶瓷的制备及电学性能研究方案
以碳酸盐和氧化物为原料,无水乙醇为研磨介质,采用固相法合成压电陶瓷体系0.995Bi0.5(Na0.8K0.2)0.5TiO3-0.005(Na1-xKx)SbO3(BNKT-NKS),并对其微结构、表面形貌、电学性能进行了分析测试。结果表明,压电陶瓷样品都能形成单-钙钛矿固溶体结构,具有较好的电学性质:x=30%时,d33=149pC/N,kp=0.315,Qm=139,tanδ=0.037;x=10%时,tanδ=0.037。
(1)以无机盐、氧化物为原料,固相法合成0.995Bi0.5(Na0.8K0.2)0.5TiO3-0.005(Na1-xKx)SbO3新型无铅压电陶瓷体系,并对其微结构、电学性能运用现代化工技术进行了分析测试研究。
(2)样品材料表现出较好的结构特点以及良好的电学性能:x取值30%,d33、kp和Qm有最优值,分别为149pC/N、0.315和139;当x=10%时,tan δ=0.037。
压电陶瓷因其性质的特殊性,作为一类功能材料在电子、微电子的研究方向中起着重要作用。目前压电陶瓷领域中,所用的原料还是以含铅的氧化物为主的铅基压电材料,其含量约能到达原料总质量的70%,而Pb有毒有害重金属对人类和环境健康有序发展都是极为不利的因素,因此,研究开发性能优越、对环境无害的无铅压电陶瓷材料是该领域科研者的努力方向。
Bi0.5Na0.5TiO3(BNT)、Bi0.5K0.5TiO3(BKT),分别又称钛酸铋钠、钛酸铋钾,这两者都存在有ABO3钙钛矿A位离子复合取代的铁电体结构特点,室温下为三方晶相,在制备工艺上合成样品的温度低等,样品能表现出较好的铁电电压性能的优点。研究表明,由上述两者组成的BNKT两元体系陶瓷在压电性能方面体现优异的潜质,研究者通过取代和掺杂的方式对BNKT进行改性研究,合成了很多新型的压电陶瓷,在某些方面取得一定成绩,但是还有不成熟之处。
本实验主要研究Sb2O3对BNKT体系的影响,加入Sb 0.5%时,对BNKT体系电学性能有一定的改进作用。有鉴于此,本研究将(Na1-xKx)SbO3引入合成了BNKT-NKS陶瓷体系,以无机盐、氧化物为原料,采用传统方法制备新的压电陶瓷,并利用现代化工技术对样品的结构、表面形貌、压电、介电性能进行了表征和测试,以期制得好的压电材料。
1实验部分
1.1材料与仪器
氧化铋、碳酸钠、碳酸钾、二氧化钛、三氧化二锑、无水乙醇均为分析纯。
FW-40T型压片机; D/MAX UltimaⅣ型XRD;JSM-6510型SEM;ZJ-3AN型准静态d33测量仪和精密阻抗分析仪;TH2816B型精密电桥。
1.2Bi0.5( Na0.8K0.2)0.5TiO3-(Na1-xKx)SbO3无铅压电陶瓷的制备
Bi2O3、Na2CO3、K2CO3、TiO2和Sb2O3依化学式0.995Bi0.5(Na0.8K0.2)0.5TiO3-0.005(Na1-xKx)SbO3(BNKT-NKS-0.005-x)进行配料比例计算,合成陶瓷样品。x分别按0,10%,30%,50%,70%,100%进行取值(x为摩尔比) ,万分之一电子天平称取原料,于玛瑙研钵中,以无水乙醇作为溶剂,手工操作研磨6h,恒温烘箱中进行烘干后置于刚玉坩埚中,870℃下预烧2h。研钵中破碎,形成粉料。用5%的PVA溶液作粘合剂,造粒得到均匀的颗粒物,利用模具于18MPa的压力下制得圆坯片(直径d约为10mm,厚度a约为1 mm) ,将圆坯片整齐排列刚玉板,在800℃的马弗炉中进行排胶,得粗化工产品。马弗炉中将粗化工产品进行高温(在1200℃下保温2h)烧结处理。将陶瓷样品在砂子上打磨,涂银处理后烘干。在硅油内进行极化处理(其中温度控制40~80℃,电压控制4~5kV,极化时长控制在约为0.5h),放置24h备用。
2结果与讨论
2.1陶瓷的XRD分析
图1是陶瓷样品在1200℃下保温2h的XRD图谱。
图1Bi0.5(Na0.8K0.2)0.5TiO3-(Na1-xKx)SbO3(1200℃/2h)陶瓷的XRD图谱
Fig.1XRD patterns of Bi0.5(Na0.8K0.2)0.5TiO3-(Na1-xKx)SbO3 ceramics sintered at 1200℃ for2 h
由图1可知,材料样品均无杂峰出现,存在单一钙钛矿型(ABO3)固溶体结构,说明Na+、K+、Sb3+顺利融于晶格中。随着掺杂量x变大,XRD峰向左(即向低角度)有微小的偏移,表示晶格常数发生变化,可能的原因是K+的半径比主体离子Bi3+、Na+的半径略大,当发生取代时,晶格膨胀,从而使晶面间距变大。
2.2Bi0.5(Na0.8K0.2)0.5TiO3-(Na1-xKx)SbO3无铅压电陶瓷的SEM分析
图2是合成陶瓷材料(1200℃下保温2h)SEM表面图形。
图2Bi0.5(Na0.8K0.2)0.5TiO3-(Na1-xKx)SbO3(1200℃/2h)陶瓷的表面微观形貌图
Fig.2 SEM graphs of Bi0.5(Na0.8K0.2)0.5TiO3-(Na1-xKx)SbO3 ceramics sintered at 1200℃ for 2h
由图2可知,0≤x≤30%时,材料的晶粒呈现规则的几何外形、致密高,无空洞;但当30%≤x≤100%时,晶粒的品质几何外形的规则度有下降趋势,最后有少量的空洞出现,可能是由于少量K取代A位后,K+有利于主晶相,能够促进了晶粒的长大,主要体现在材料样品晶粒的微观形貌上的变化趋势。
2.3Bi0.5(Na0.8K0.2)0.5TiO3-(Na1-xKx)SbO3压电陶瓷的电学性能分析
实验数据见表1。
图3中的3个图分别反映了掺杂量x的变化对新型陶瓷材料的d33、kp和Qm的影响。
(a)kp和d33随(Na1-xKx )SbO3含量的变化关系
(b)Qm随(Na1-xKx )SbO3含量的变化关系
(c)tan δ和εr随(Na1-xKx )SbO3含量的变化关系
图3样品随x含量变化的电学性能变化关系
Fig.3Relationship electric properties and x content
由图3可知,x≤30%时,d33、kp和Qm随掺杂量x含量增加而呈现逐渐变大的趋势,在x=30%时出现最大值,d33达到149pC/N、kp为0.315、Qm为139;当x≥30%时,都有减小趋势。产生这一变化的原因:一方面可能是由于K2CO3(钾离子进入晶格)进入晶格后增强了陶瓷的致密性;另一方面,可能由于较大离子极化率的K+使得A位离子具有更大的位移,提高体系的自发极化强度,从而使得陶瓷样品表现出压电效应的明显提高,但随着K+量增加,可能存在部分K+未融于晶格内,样品压电性能又呈现下降的趋势。由图3(c)可知,介电常数e,随着x的增大,总体呈现变小后趋于平稳,但介电损耗tanδ在最后有个突变的过程,当x=10%,tan δ最小值为0.037。这一变化的可能原因根据Smolensky的成分起伏理论指出,在复合钙钛矿结构中的晶格的A位上如果有多种离子共同占位的情况,而不同离子的组成、晶体结构在纳米尺度上存在差异性,当半径比较大K+发生取代时,使晶胞结构发生了畸变,在极化处理有利于90°电畴壁运动,有利于压电性能的提高,但随着x的增加由于畴壁运动的增加,会引起内部损耗的增加,从而使tan δ有突然增大的趋势。
3结论
(1)以无机盐、氧化物为原料,固相法合成0.995Bi0.5(Na0.8K0.2)0.5TiO3-0.005(Na1-xKx)SbO3新型无铅压电陶瓷体系,并对其微结构、电学性能运用现代化工技术进行了分析测试研究。
(2)样品材料表现出较好的结构特点以及良好的电学性能:x取值30% ,d33、kp和Qm有最优值,分别为149pC/N、0.315和139;当x=10%时,tan δ=0.037。
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