最新BNT基无铅压电陶瓷研究

固
引入其它相结
溶 构铁电相、顺电
多
改 相、反铁电相等
元
性
固
研
溶
究
体
重
系
点
如何适当地引入其它组元--新的BNT固溶体 如何准确地确定固溶体的MPB所在
如何在MPB附近得到最优性能的BNT陶瓷
BNT基固溶体系研究
B
BNT-ATiO3(A代表Ba、Sr、Ca、Bi0.5K0.5等)
N
二元系中BNT-BT、BNT-
➢ 3.添加助剂
助烧剂 助 剂 改 性
离子补偿剂
作用---提高烧结活性，降低烧结温度，在烧结过 程中形成少量的液相促进烧结，使陶瓷气孔率减小， 增加致密度，提高陶瓷的性能
常用助烧剂：B2O3，Li2CO3，CuO，BaO，稀土氧 化物La2O3，Y2O3，CeO2等及它们混合物
采用三价稀土离子Y3+、Sm3+等进行掺杂/取代改性, 因电荷、半径差异，取代效果有待较强。加入补偿 Li+、Na+、K+进行电荷补偿、半径补偿。
➢ 2.掺杂/取代改性
• 思路：借助基PZT基陶瓷的等价掺杂和不等价掺杂（“软性掺杂”和“ 硬性掺杂”）的经验。
BNT 掺杂 改性
等价取代：用Ca2+、 Sr2+、 Ba2+ 、Bi0.5K0.5等二价离子取代Bi0.5Na0.5使
BNT的ε↑ 、KP ↑， d↑ ，从而提高BNT的电学性能
不等价取代
A位 Bi3+:Na+=1:1
高Pr=38μC/cm2 高Tc=320℃
声学性能（Np=3200Hz.m)好 机电耦合系数（Kt、K33）大
烧结温度低
BNT结构和位移极化行为 高EC=7.3KV/mm，难极化 铁电区电导率高，I漏大
BNT
（Bi、Na）烧结温度窄
化学稳定性和致密度欠佳
d33<100pC/N，活性低
BNT基无铅压电陶瓷研究
目录
1 01 研究背景 2 02 实验部分-删 3 03 结果分析-删
论文总结
一、研究背景
❖ 应用
PZT/BT/BNT
铁电体
热释电体
压电体
介电体
传统的铁电压电陶瓷以铅基压 电陶瓷为主，铅基压电陶瓷中的 PbO含量约占原料总量的70% ，在 生产、使用和废弃后的处理过程中 给人类及生态环境ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ来严重危害， 而无铅化处理成本高----无铅化
❖ BNT基无铅压电陶瓷研究进展
BNT基陶瓷相变结构与弛豫特性研究 研 究 进 展
BNT基无铅压电陶瓷的改性研究
1.BNT基陶瓷相变结构与弛豫特性研究
钛酸铋钠(BNT)具有较为复杂的相变过程
争议：
弥散相变
520℃
立方顺电相-四方铁弹相变 立方顺电相-四方超顺电相变
220℃：铁电-反铁电相变
320℃：反铁电-顺电相变 220-320℃是否存在反铁电相？
铁电体:具有介电性、压电效应、热释电效应、铁电效应、非线性光学和 良好声学性能等特性
应用：在信息存储记忆、压电换能、电声换能、红外探测和摄像、光调制 器、超声成像传感器及电容器、放大器、相移器等微波器件诸多领域有广 泛应用
主要体系
无铅压电陶瓷
系统化研究
✓ 钛酸钡（BT）基无铅压电陶 瓷
✓ 钛酸铋钠（BNT）基无铅压 电陶瓷
➢ 4.制备工艺
烧结气氛
烧结温度
1 固相反应法
保温时间
升/降温速率
制备 工艺
2 溶胶凝胶法
.......
3 水热合成法
4 熔盐法 5 共沉淀法 6 晶粒定向生长技术
❖开发新型粉体合成制备方法，改善粉体材料的活性，为制备性能优异的BNT 基无铅压电陶瓷奠定基础
2.BNT基无铅压电陶瓷的改性研究
1.多元固溶改性
改
2.掺杂改性
性
方
3.添加助剂
法
4.制备工艺
研究居所
➢ 1.多元固溶改性
准同型相界MPB：由于成分不同，在温度-成分相图上，随着成分的改变,相也会发生改 变，那么分离两种相的边界就称为准同型相界。
在准同型相界（MPB）附近铁电陶瓷的极化会相对容易和电学性能会明显改善
软性取代：高价离子取代----矫顽场强EC ↓，电滞
回线为矩形（瘦高） ε↑， KP ↑， tgδ↑， Qm ↓ ,
抗老化性↑， ρV↑
硬性取代:低价离子取代---- Ec ↑ 、 ε↓、 KP ↓、 tg δ↓
、
Qm ↑ 、抗老化性↓ 、 ρv ↓
➢ 按掺杂离子占据位置来分类讨论
Li+、K+、Ag+等→Na+
➢ 不同外部条件( 压力/频率/温度) 下陶 瓷材料性能的变化及其机制;
➢ 陶瓷的温度稳定性、老化特性及其机制;
➢ 针对无铅压电陶瓷材料特性和性能参数 的器件设计与制备;
➢ 针对特殊器件用无铅压电陶瓷性能的改 性研究;
➢ 陶瓷新型制备技术及工艺的稳定性和环 境协调性研究.
❖ BNT结构与性能
BNT:A位离子复合钙钛矿结构铁电体
T 二
BNT-ANbO3(A代表Na、K、Li)
BKT因其性能优异，广泛深 入研究
元
固 溶
BNT-Ba(ZrTi)O3(简称BNT-BZT)
体
系
BNT-BiAO3(A代表Fe、Mn、Sc等)
BNT三元系固溶体 如BNT-BKT-BT BNT四元系固溶体 如BNT-BKT-BT-NN
配方、MPB设计
掺杂改性
1 A位取代 B
N
T
掺 杂
2 B位取代
改
性
Ca2+、Ba2+、Sr2+等→（Bi0.5Na0.5）2+ La3+、Y3+、Sm3+等→Bi3+
Zr4+、Nb5+、Zn2+、Sn4+等→Ti4+
3 AB双位共掺取代
A、B位同时进行掺杂
注意：无论是A位、B位还是AB位共掺，每一个取代位可以单一离子掺杂， 也可以是多种离子混掺！
✓ 铌酸钾钠（KNN）基无铅压 电陶瓷
✓ 铋层状结构无铅压电陶瓷 ✓ 钨青铜结构无铅压电陶瓷
➢ 压电性起源研究;
➢ 材料配方设计、相变研究和新相界设计;
➢ 掺杂对陶瓷性能的影响及其机制;
➢ 材料性能增强机理及其调控方法;
➢ 介电损耗机制和提高材料机械品质因素 的途径;
➢ 能满足不同器件应用的系列化材料( 类 似于PZT系列中分别适用不同器件的系列 化材料) 的研究与开发;