BNT无铅压电陶瓷的制备己进展研究

BNT无铅压电陶瓷的制备及进展研究

摘要：随着社会可持续发展战略的实施和人们环保意识的增强，Bi0.5Na0.5TiO3

基无铅压电陶瓷以其良好的电学性能和较高的的居里温度等特点成为当前铁电压电材料及其应用研究的热点之一。本文主要介绍了Bi0.5Na0.5TiO3基无铅压电陶瓷的研究现状、制备工艺及其发展与实际应用。

关键词：BNT基无铅压电陶瓷、制备工艺、研究进展、改性研究。

引言：材料是人类生活和生产活动必需的物质基础，同人类文明密切相关。历史上，人们把材料作为人类进步的里程碑，如“石器时代”、“铜器时代”、“铁器时代”等。到20世纪60年代，人们把材料、信息、能源誉为当代文明的三大支柱;20世纪70年代又把新材料、信息技术、生物技术作为新科技革命的主要标志，现在这些技术仍然是21世纪发展的主导。现代科学技术发展的历史表明，材料对推动科学技术的发展极其重要。随着信息时代的到来，各种具有优异性能的新型无机材料开始受到人们的关注和重视。20世纪80年代以来，随着高科技的兴起和发展，需要许多能满足高科技要求的新材料，其中大部分属于功能材料。因此，材料开发的重点越来越转向功能材料。可以说，研究功能材料的合成与制备、组成与结构、性能与使用效能之间的关系和规律，己经成为一门新的学科。

压电材料是功能材料的重要组成部分，是实现机械能(包括声能)与电能之间转换的重要功能材料，其应用己遍及人类日常生活的各个方面，由于其在信息、激光、导航和生物等高技术领域占有重要的地位，因此对它的研究在无机材料研究领域中非常活跃并具有诱人的前景。压电陶瓷是重要的机一电能量转换材料，其应用领域广泛，在国民经济中占有重要地位。压电陶瓷主要用于声纳(军用)、医疗设备、电视、通讯、导航及自动化。压电驱动器和超声马达构成的灵巧器件，是最近的重要发展方向。2000年，美国Business ComunicationCO.发表了长达174页的压电材料研究发展及市场的调查报告，认为这种材料具有许多重要应用领域及发展前景，并列举出44项新应用，如灵巧SKJS、微型机器人、光开关用驱动器、数据驱动器、地震传感器、飞行器用灵巧器、管道检测器、压电纤维等。另外，无线及有线通讯方面的革命，更促进其发展。另外，可携带式电话通讯方面应用，还发展了独石型多层压电器件，作为滤波器用。从几十到几百兆周频率，用于低动作电压、高速、高感度振动、驱动、发音、震动传感、升压变压器等方面。随着高新技术的发展，压电陶瓷的用途必将越来越广阔。除了用于高科技领域，它更多的是在日常生活中为人们服务，人们创造更美好的生活。

1、BNT无铅压电陶瓷介绍：

1.1BNT无铅压电陶瓷的结构

Bi0.5Na0.5TiO3(简称为BNT)属于钙钦矿结构无铅压电陶瓷，它的化学结构式为ABO3，全配位为A:B:O=12:6:6。其结构图如1.1所示：

图1.1钙钛矿结构图

Fig1.1 Structure of perovskite

Bi3+和Na+以1:1的比例共同占据A位，Na+或者Bi3+位于立方体的顶点位置，氧八面体的中心属于B位，是由Ti4+独自占据。立方体的每个面心上都有一个O2-，Bi3+(0.96*10-3m)离子的半径只比Na+(0.97*10-3m)的半径小0.01*10-3m。BNT 中的三价链离子与Pb2+具有相同的气体型外层电子结构，这种电子结构具有非惰性。铋离子(Bi3+）的外层非对称混合轨道中的孤对电子很容易与氧离子(O2-)形成非对称共价键，这样有利于铁电性的稳定，同样也增强了电子位移极化率，因而这种结构受到国内专家和相关研究者的广泛关注，开发潜力很大。左图的晶体处于居里温度(Tc)之上，属于立方晶相的范畴，正负电荷中心不存在分离，所以不存在自发极化;右图的晶体处于居里温度之下。属于四方晶相的范畴，正负电荷中心分离。因而存在与C轴平行的自发极化。

1.2BNT的主要特性

Smolenskii等专家于1960年首次合成BNT无铅压电陶瓷之后，这种无铅压电陶瓷就因其具有显著的优势而得到研究者的广泛研究和关注，钦酸秘钠(BNT)属于钙认矿型结构的A位离子复合取代铁电体，它主要具有以下几点优势。

（1）剩余极化强度（Pr=38μC/cm2）较大;

（2）居里温度(T c=320℃)较高;

（3）各向异性机电藕合系数较大(厚度机电祸合系数(K t≧48%)和平面机电藕合系数(K p=16.5~25.5%))，

（4）频率常数(N t≧255OHz·m)较高;

（5）介电常数(ع=290~524)小，因而可以更好地满足超声范畴的应用。

但是BNT也有以下两点劣势。其一，室温下，BNT无铅压电陶瓷的矫顽场比较大，铁电相区的电导率也比较高，造成漏电流大，难以极化;其二，BNT的烧结温区不宽，主要因为铋在1130℃左右存在挥发，导致其致密性下降，最终造成相关性能下降。综上所述，与错钦酸铅(PZT)陶瓷相比，BNT相差甚远，因而BNT 在短期内难以实用化。

2、BNT无铅压电陶瓷的制备工艺

2.1固相合成法

固相合成法是利用固相物质之间或固相与气相物质之间相互反应制备出陶瓷粉体的一种方法。如利用固相合成法制备BNT粉体，按化学计量比称取分析纯的原料Bi2O3，Na2CO3和T i O2，用无水乙醇作介质，先进行球磨混合。干燥细化后，在800℃左右保温2h合成BNT粉末，并在1180℃一1200℃下烧结，可得到密度为理论值94%的致密陶瓷。

如图2.1所示是固相反应法制备样品的工艺流程图：

图2.1 固相反应法制备压电陶瓷的工艺流程图

固相法一直是我们制备铅基压电陶瓷和无铅压电陶瓷的主要方法。主要因为固相法具有以下优点，(l)操作简单容易实现，(2)实验所需成本比较低，(3)容易推广。但此方法的实验环节较多，容易混入杂质，因而很难达到成分的均匀混合，一般晶粒较大，有时还会产生杂相，这些因素都将影响压电性能。

2.2溶胶——凝胶法

近年来，溶胶一凝胶法在制造精细陶瓷方面受到人们的注意。溶胶一凝胶法是制备超细颗粒的一种湿化学法。它先将原料从“悬浮态”转换到“分散态”，调节pH值使有机金属盐溶液经过溶胶一凝胶过程，最后经过低温热处理得到纳米粉体。利用这种方法制备的材料各种组分可以实现原子或分子级的均匀混合，从而可制得高度均匀致密的材与传统的固相法相比，该法制备的BNT陶瓷粉体具有纯度高、粒度小、均匀性好、工艺设备简单易行、可控性好、压电性能高等优点，其中(Bi0.5Na0.5)0.94Ba0.06TiO3陶瓷最大d33达173pc/N，与传统工艺相比提高了近40%。但使用的原料价格比较高，且颗粒易发生团聚。

2.3水热合成法

水热反应过程是指在一定的温度和压力下，在水、水溶液或蒸汽等流体