烧结温度对CaBi2Nb209超高温压电陶瓷结构及性能影响

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的核心问题 ； ②剩余极化 ： 剩余极化与陶瓷的压电性能具有重 要的关联 ； ③矫顽场 ： 矫顽场的高低对陶瓷的人工极化的难易 具有 重要影 响 。 图 ６是 ＣＢ ｂＯ ａｉＮ ： 陶瓷 的 电 滞 回线 。从 图 中可以看 出， 电滞 回线呈橄榄 球状 ， 未达 到饱 和 ， 是 因为 这 ＣＢ ｂＯ ａ ｉ 陶瓷 的 自发极 化受 二 维 空 间结 构 的 限制 ， Ｎ 矫顽 场
的扭 曲模 ，８．９和 ８ ８７ ｍ 对应 的是 Ｎ ５６０ １．９ｃ ｂ—Ｏ的拉伸
畸变程 度增大 ， 强 了极 化 。 增 ２ ２ 不 同烧 结温度 下 Ｃ Ｂ： ｂＯ ． ａ ｉ ： 陶瓷 的微观 形貌 Ｎ
ｃ ａ ｅ ｔｄ ｆ ｒｎ ｅ ｅ ａｕ ｅ ｅ ｍｉｓａ ｉ ｅｅ ｔ ｍｐ ｒ ｔｒ ｆ ｔ
空军工程大学学报 （ 自然科学版 ）
一
２１ ０ ２芷
２ Ａ型压 电测试 仪测 量压 电 陶瓷 的压 电常数 ｄ， ，。
２ 结 果 与 讨 论
２ １ 不 同烧 结温 度下 Ｃ Ｂ２ ｂ Ｏ ． ａ ｉ ２ 陶瓷的相 结构 Ｎ
图 １ ａ 是在 １０ ５ 、 ０ ０Ｃ、 ５ ｏ １１０ 、 １ ℃烧结 温度下 ， 温 ２ｈ制备 的 Ｃ Ｂ２ ｂＯ （） ６ ℃ １ ９ ｏ １１ ０Ｃ、 ８ ℃ １ ０ ２ 保 ａ ｉ ２ ９陶瓷 Ｎ
烧 结 温 度 对 Ｃ Ｂ２ ｂ ９ ａ ｉＮ ２ Ｏ
超 高 温 压 电陶瓷 结构 及 性 能 影 响
田晓霞 ， 屈绍 波 ， 王斌科 ， 周 瑜
（ 空军工程大学理学 院 ， 陕西西安 ７ ０５ ） １０ １
摘要 采用传统 固相合成法制备 了铋层状结构 ＣＢ ｂＯ ａ ｉ ： 压 电陶瓷， 究 了烧结温度对样 品 Ｎ 研
看出， 随着 烧结 温度 的升 高 ，１５ 晶面 向低 角方 向移动 ， 是 由于 随着 热处 理 温度 的升 高 ， （１） 这 晶粒逐 渐 长 大 ，
晶胞体积增大 。烧结温度从 １ ６ 一 ５℃到 １ １ ｏ ０８晶面指数强度逐渐增大 ， １０℃时达到最强 ， ０ ０ Ｃ， ２ ０ １５ 后
Ｄ １ ． ９ ９ ｊｉ ｎ １０ ＯＩ ０ ３ ６ ／．ｓ ． ０ ９—３ ． ０ ２ ０ ． １ ｓ ５ ６ ２ １． ５ ０ １ ８
中图分类 号
Ｃ Ｂ ｂＯ ａ ｉ ： 。陶瓷 的居里 温度 为 ９０℃ ， 电常 数 ｄ， ５ｐ ／ 是 目前 报道 的铋 层 状结 构 中居 里 温 Ｎ ４ 压 约 Ｃ Ｎ， 度最 高 的材 料 ， 压 电活 性 相 对 较 低 －］ ａ ＿ 首 次 采 用 等离 子 火 花 烧 结 技 术 （Ｐ ） 但 ４。Ｙ ｈ２ ｓ ｓ 制备 了 Ｃ Ｂ ｂＯ ａｉＮ
室温时的 ｘ射线衍射图， １ ｂ 是衍射角 ２ ＝ ６ 一 ２ 特征峰的放大图。通过与 ｘ射线衍射仪的标准衍 图 （） ０ ２ 。 ３。 射卡 ＪＰ Ｆ中 Ｎ ． ９— ６ ８相 比较 ， 图 １ ａ 可 以看 出 ， ＣＤ ｏ ４ ００ 从 （） 其最 高特征 峰沿 （ １ ） １５ 晶面 ， 表 明从 １ ６ 这 ５ｏ ０ Ｃ到 １２０℃均得 到 了 Ｃ Ｂ ｂＯ 陶 瓷 ， 于正交 晶系 ， １ ａｉ ： Ｎ 属 但在 温度 较高 时 有少 量 的杂 峰 出现 。从 图 １ ｂ 中 可 以 （）
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空军工程大学学 报（ 自然科 学版）
２ ５ Ｃ Ｂ２ ｂ Ｏ ． ａ ｉＮ ： ，陶瓷 的铁 电及 压 电性能
电滞回线是铁 电体的重要特征 。一般来讲 ， 电滞 回线 可 以表达出 ３ 个重要特征 ： 自发极化 ： ① 自发极化是铁电体研究
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第１ ３卷第 ５期
２１ ０２年 １ ０月
空
军
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大
学
学
报（ 自然科学版 ）
Ｖ０ ． ３ Ｎｏ ５ １１ ． ０ ｔ２ ２ ｃ ． ０１
ＪＵ Ｎ ＬＯ Ｉ Ｏ Ｃ Ｎ ＩＥ ＲＮ ＮＶ Ｒ ＩＹ Ｎ Ｔ Ｒ ＬＳＩＮ ＥＥ ＩＩＮ Ｏ Ｒ Ａ ＦＡＲＦ Ｒ ＥＥ ＧＮ Ｅ ＩＧＵ ＩＥ Ｓ （ Ａ Ｕ Ａ Ｅ Ｃ ＤＴＯ ） Ｔ Ｃ
ｍ ｎ图谱。由图 ２ ａ 可以看出， 拉曼光谱的形状基本没有变化 ，
这也 说 明在不 同 的烧 结温 度下 均得 到 了相 同的晶体结 构 。在 １０—１２０ｃ 范 围 内 ， ０ ０ ｍ 拉曼 频 移 在 ２０、８．９ ８８７ ０ ５ ６０ 、１．９ ｃ 左 右都 出 现 了较 强 的拉 曼 声 子 模 ， ２４２ 、２． １ ｍ 在 ９．２ ３２２ 、 ４ ６９ ｍ 左右都 出现 了较 弱 的拉曼 声 子 模 ， ４ ．５ｃ 由于 Ｎ Ｏ ｂ 八
是传统固相法制备压电陶瓷制备过程中的重要工序 ， 高温烧结 时，ｉ 。 Ｂ： 易挥发而引起材料成分波动并导致 Ｏ 介 电性 能和 压 电性 能 恶化 ， 因此 研究 烧结 温 度对 压 电 陶瓷 的结 构 和性 能 的影 响具 有 重 要 的意 义 。本 文 采 取
固相反应法制备 了 Ｃ Ｂ Ｎ ａ ｉ ｂＯ 陶瓷 ， 研究 了制备温度 、 保温时间对其相结构、 形貌及介 电性能的影响 ， 探索
陶瓷， 与采用传统的固相烧结方法相比较 ，Ｐ 制备的样品致密性高 ， 电损耗低 ， ＳＳ 介 文献 中对传统 固相法制备
Ｃ Ｂ： ｂＯ ａ ｉ 。陶瓷并 没有 做详 细 的报 道 ， Ｓ Ｓ技 术设 备成 本 高 、 Ｎ 但 Ｐ 工艺 复 杂 ， 不适 合 于大 规 模工 业 生 产 。烧结
图 ２ 不 同烧 结 温 度 下 Ｃ Ｂ ｂＯ ａｉ 。 Ｎ
面体 内部 的离子 间作用力较强 ， 以强频模 与 Ｎ Ｏ 八面体 所 ｂ
内部 的振动 或扭 曲有关 。一般 认 为 ， ＝ ０ ｍ 处是 Ｎ １ ２ ０ｃ ， ｂ—Ｏ
陶瓷的 Ｒ ｍ ｎ光谱 ａａ
Ｆ ｇ ２ Ｒ ｍａ ｐ ｃｒ ｆＣ Ｂ ２ ｂ ９ ｉ ． ａ ｎ ｓ ｅ ｔａｏ ａ ｉ Ｎ ２ Ｏ
相 结构 、 微观 形貌 、 密度 和 介 电 、 电性 能 的影 响。采 用 ｘ射 线衍 射衍 射仪 、 铁 电子 扫描 电镜 、 曼 拉 光谱 、 电温谱 以及 电滞 回线 对制 备 陶 瓷样 品进 行 表 征分 析 和 性 能 测试 。 结 果表 明 ： 有 陶瓷 介 所 样 品的相 组 成均 为纯 铋层 状 结构 ， 晶粒 呈棒 状 ， 向异 性 明 显 ， 着烧 结 温 度 的 升高 ， 各 随 晶粒 逐 渐 长大， 陶瓷 密度 先 变 大 后 变 小 。 固 相 法 制 备 的 Ｃ Ｂ ｂＯ ａ ｉ ： 压 电 陶 瓷 的 最 佳 烧 结 温 度 为 １ Ｎ
逐渐 变 弱 ， （ １ ） 且 １５ 晶面特 征峰在 １１０℃ 时峰形尖 而细 ， 明该烧 结温度 下 晶体 的结 晶度 最好 。 ５ 说
图 １ 不 同烧结温度下 Ｃ Ｂ： ｂＯ 陶瓷的 Ｘ射线衍射 ａｉ ２ ９ Ｎ
Ｆ ｇ １ ＸＲＤ ｓ ｅ ｔ ｆＣ Ｂ ２ ｂ ｅ ｍｉｓ ａ ｉ ｅｅ ｔｔｍｐ ｒ ｔ ｒ ｉ． ｐ ｃｒ ｏ ａ ｉ Ｎ ２ ｃ ａ ｃ ｔｄ ｆ ｒ ｎ ｅ ｅ ａｕ ｅ ａ Ｏ９ ｆ
曼 光谱 仪 ， ５４ ５ｎ 为 激 发 波 长 ， 试样 品拉 曼 光谱 ； 用 Ｒ ０ ０ Ｖ 以 １． ｍ 测 采 Ｔ６ ０ Ｈ Ｓ铁 电测 试 系统 测 量 样 品 电滞 回 线 ， 试频 率 为 １Ｈ ； Ｈ ４ ９ Ａ型 阻抗 分 析仪 测 量样 品介 电性能 ， 用 中国科 学 院声 学研 究 所 生 产 的 ｚ 测 ｚ用 Ｐ １２ 采 Ｊ
呈片状生长 ， 各向异性明显 ， 呈棒状结构 ， 这种形貌特征是铋层状化合物 自身的层状结构所具有的特点 ， 这是 由于 晶粒沿着 ａｂ面方 向 的生 长速 度大 于沿 Ｃ 方 向 的生长 速 率不 同所造 成 的。随 着温 度 的 升 高 ， ， 轴 晶粒 逐 渐长大 ， 温度达到 １ ５ ０℃ ， １ 晶粒的形貌变得清晰 ， 当温度达到 １ ８ ０℃、 ２０℃时 ， １ １１ 由于晶粒部分熔融而使 陶瓷表面出现了晶粒相互粘连现象。同时我们从不 同烧结温度的断面 Ｓ Ｍ 图中可以看出， Ｅ 随着烧结温度升 高， 晶粒 的纵 横 比逐渐减 小 ， 究 结果表 明这 种变化 使得 陶瓷 极化变 得容 易 － 研 ４ 。
拉曼光 谱是 一种对 材料 中局 部结 构变化 非常 敏感 的测量
方法 ， 以用来 判断层 状 钙钛 矿 结 构铁 电材料 微 结 构 变化 及 可
掺 杂离 子 的取 代位 置 。图 ２是样 品在 １ ６ 、 ９ 、 １０Ｃ ５ １ ０１ ５ｏ ０ ０ 烧结 温度 下 ， 温 ２ｈ制备 的 ＣＢ ｂＯ 保 ａ ｉ 陶 瓷室 温 时 的 Ｒ — Ｎ ａ
１０Ｃ， 电温谱 显 示 Ｃ Ｂ２ ｂ Ｏ ５ｏ 介 ａ ｉ ２ ９陶 瓷 的居 里 温度 为 ９ ３ｃ 。 Ｎ ４ Ｉ ＝
关键词
压 电陶瓷； 微结构 ； 电性能 介
Ｔ ３４ Ｎ ８ 文献标 识码 Ａ 文章 编号 １０ ３ １ （０２ ０ ０ ８ ０ ０９— ５６ ２ １ ）５— ０５— ５
模 。随 着烧结 温度 升高 ， 明显 的拉 曼峰位 置几 乎不 受影 响而强 度 明显 增 加 ， 明温度 升 高会 使 材料 晶格 ３个 说
图 ３是在 １ ６ Ｃ、 ０ ０℃ 、 １０ｏ １１０ｏ １２０℃烧 结温 度下 ， ５ｏ １ ９ ０ １ ５ ８ １ Ｃ、 Ｃ、 保温 ２ｈ制 备 的 Ｃ Ｂ２ ｂＯ ａ ｉ ２ 。的表 Ｎ 面和断面形貌的 Ｓ Ｍ 图。从不 同烧结温度的表面 Ｓ Ｍ 图中可以看出 ，ａ ｉ ｂＯ 晶粒沿着 ａｂ面的方 向 Ｅ Ｅ ＣＢ Ｎ 。 、
一
定的热处理温度下烧结成陶瓷 ， 上下表面涂导电铂浆 ， 以备测试其性能。将用作铁 电性能测试 的样 品， 打
磨到厚度 ０５ｍ ． ｍ左右后继续抛光至 ０ ３ｍ 用超声波清洗后上电极 。 ． ｍ， 采用 Ｒｇｋ ／ ａ ０ Ｖ Ｐ Ｘ型 ｘ射线衍射仪（ Ｒ 分析样品的相结构 ； ｉ ｕＤ ｍ ｘ ５０ Ｃ ａ ２ Ｘ Ｄ） 使用 ＪＯ ７０ Ｅ Ｌ６０ Ｆ型环境扫 描 电 子显微 镜 （ Ｅ 观察 其 晶粒形 貌 ； ｓ Ｍ） 采用 阿基 米德 法测 定 样 品 密度 ； 用英 国 Ｒ ｎｓａ 采 ｅｉ ｗ公 司 ＩＡ Ａ 型拉 ｈ ＮＩ
收 稿 日期 ：０ ２—０ ２１ ６—２ ６ 基金项 目： 国家 自然 科学基金资助项 目（０ ３ ０ ０ １ ８４ ３ ） 陕西省 自然科 学基础研究计划资助项 目（０ １Ｍ ０ ２ ５ ６ ２ ３ ；０ ０ １０ ； ２ １Ｊ ６ １ ）
作者简介 ： 田晓霞（ ９ １ ， ， １７ 一） 女 陕西扶 风人 ， 副教授 ， 主要从事 电子材料 与器件研究 ． Ｅ—ｍ ｉ： ａｘ ｔ ｎ ２ ．ｏ ａ ｘ ｏｉｉ ＠１６ ｃｍ ｌ ｉ ａａ
出固相 反应 法 的最佳 制备 条件 。
１ 实 验 方 法
以分析 纯 Ｂ ，９ ． ｉＯ （９ ０％ ） Ｃ Ｃ ，９ ． 、ａ Ｏ （９０％ ） Ｎ ９ ． 和 ｂＯ （９ ５％ ） 为原 料 ， 化 学计 量 比混和 ， 按 以乙醇 为介 质， 球磨 ２ ， 合均 匀后 于 ８ ｃ烘箱 中烘 干 除去 乙醇 ， ４ｈ 混 ０。 干燥 后 的粉 体压 成块 ， ９０。 烧结 合成 Ｃ Ｎ 在 ５ Ｃ预 ＢＯ 陶瓷前 驱粉 体 。将前 驱 粉体 压制 成直 径 １ ｍ、 度 ０ ８ｍ 左右 的圆片 ， 于 马弗 炉 中 ， ０ｍ 厚 ． ｍ 置 控制 升 温 速率 ， 在