无铅压电陶瓷的晶粒定向生长技术

1、无铅压电陶瓷的晶粒定向生长技术无铅压电陶瓷的晶粒定向生长技术Lecture: 周怀娟周怀娟Team members：宋香莲宋香莲 刘丽莎刘丽莎 李文静李文静 黄爱彬黄爱彬 张振铖张振铖 陈鸿铭陈鸿铭 熊开南熊开南 背背 景景目前使用的压电陶瓷材料主要是铅基压电陶瓷，其中的PbO约占原材料总量的70%，由于PbO是一种易挥发的有毒物质，在生产过程中， PbO粉尘以及高温合成或烧结过程中挥发出来的PbO极易造成环境污染，在使用和废弃后的处理过程中也会给人类及生态环境造成严重危害。开发无铅基的环境协调性压电陶瓷材料是一项紧迫而具有重要科学意义的课题。制备方法制备方法固相反应法固相反应法湿化学法湿化学

2、法晶粒定向生长技术晶粒定向生长技术热处理技术（热锻法）热处理技术（热锻法）模板生长法（模板生长法（TGG）反应模板生长法（反应模板生长法（RTGG）多层晶粒生长法多层晶粒生长法(丝网印刷法丝网印刷法)热处理技术热处理技术-热锻法热锻法 热处理技术利用了在高温下，通过施加外力使晶粒内位错运动和晶界滑移从而使陶瓷晶粒实现定向排列。 研究最多的是热锻法。将试样先经过一段时间的普通烧结后，再在试样上加上单轴压力并且保持一段时间。热锻法工艺示意图热锻法工艺示意图热压轴热压轴样品样品模具模具炉体炉体热锻法制备SrBi4Ti4O15 (SBT) 实验原料： SrCO3， Bi2O3, TiO2 实验过程：实

3、验过程：配料配料球磨球磨(24h)预烧预烧(950, 4h)压片压片(F=500kg/cm2, d=17mm, h=20mm )热锻处理热锻处理(1200, 50kg/cm2单轴压力单轴压力)实验结果 热锻法制备SrBi4Ti4O15 (SBT)陶瓷的扫描电子显微图像 （a）SBT () ，（b）SBT(/)SrBi4Ti4O15 与温度相关的介电常数：SBT ()和 SBT(/)试样实验结果r 制备各向异性的模板晶粒(水热法或熔盐法) 模板晶粒定向排列 (流延或挤塑)模板生长法模板生长法 (Templated Grain Growth Method,TGG)挤塑法挤塑法 针状模板晶粒针状模板

4、晶粒流延法流延法片状模板晶粒片状模板晶粒 模板生长法模板生长法Bi2O3+Na2O3+TiO2+BaCO30.94(Na1/2Bi1/2)TiO3-0.06BaTiO3 (简称BNT-BT)(850,2h)熔盐法合成片状SrTiO3模板晶粒NBT-BT粉料+模板晶粒+粘结剂+塑化剂等球磨成浆料流延膜剥离切片、叠片制成条状胚体排胶(700,2h)烧结(1170，12h)片状片状SrTiO3模板晶粒模板晶粒模板生长法模板生长法a-织构化 BNT-BT试样；b-随机取向 BNT-BT模板生长法模板生长法 T. Takeuchi 等人以片状Bi4Ti3O12 为模板用流延和挤塑法制备出了织构化的CaB

5、i4Ti4O15 陶瓷压电性能提高了23 倍。表1 定向和非定向的CaBi4Ti4O15 陶瓷的压电和介电性能比较参数参数流延法定向流延法定向挤塑法定向挤塑法定向非定向非定向平均取向度f93.250.9033/a0139143149k33/%53.541.816.9d33/(pCN-1)453515反应模板生长法(Reactive Templated Grain GrowthMethod，RTGG) 熔盐法合成片状Bi4Ti3O4模板晶粒 原料(Bi2O3, Ti2O3, Na2CO3)+模板晶粒+粘结剂+塑化剂等球磨成浆料流延膜剥离切片、叠片制成条状胚体 排胶烧结 Bi4Ti3O12 +2N

6、a2CO3 +5TiO28Bi0.5Na0.5TiO3 +2CO2TGG与RTGG的比较 RTGG是将定向的模板埋入致密的原料中，热处理过程中，同时完成了反应烧结与晶粒定向生长这两个过程。 TGG则是将定向的模板片埋在致密的预先合成好的期望晶体细粉中，热处理时，在界面曲率驱动力的推动下，基质在模板上沿模板方向生长。 用熔盐法合成片状 Bi4Ti3O12模板 (平均直径7.5 m，厚度0.4 m) 将原料(Bi2O3、Na2CO3、BaCO3粉末)与Bi4Ti3O12模板混合球磨，变为NBBT； 丝网印刷：沉积一层，100干燥，重复30次(150 m)；切1212 mm2剥离，叠30-40层，液

7、压机压成3-10 mm厚；排胶，烧结。Bi4Ti3O12+Bi2O3+3Na2CO3+0.77BaCO3+9.77TiO2 12.77(Na0.5Bi0.5)0.94Ba0.06TiO3（BNTT）+3.77CO2多层晶粒生长法多层晶粒生长法多层晶粒生长法多层晶粒生长法取向度达取向度达91.6%箭头为丝网印刷的方向箭头为丝网印刷的方向几种晶粒定向技术的比较几种晶粒定向技术的比较晶粒定向技术晶粒定向技术定向程度定向程度成本成本适用范围适用范围热锻法较高高铋层状结构 钨青铜结构流延法高较高铋层状结构 钙钛矿结构钨青铜结构挤塑法较低较高铋层状结构 钙钛矿结构钨青铜结构多层晶粒生长法较高低铋层状结构应

8、应 用用参考文献参考文献1 Wu M, et al., Grain oriented (Na0.5Bi0.5)0.94Ba0.06TiO3 piezoceramics prepared by the screen-printing multilayer grain growth techniqueJ. Electronveram, 2009,52 王国勇等, 织构化(Na0.5Bi0.5)Ti03-BaTi03无铅压电陶瓷晶粒定向生长机制J. 南京工业大学学报, 2010,73 王孝平等，无铅压电陶瓷粉体的制备和晶粒定向生长技术J材料导报, 2005,104 Yang S, et al., Large Magnetostriction from Morphotropic Phase Boundary in FerromagnetsJ. Phy. Rev. Lett., 2010,55 Takao M, et al., Formation of Homo-Template Grains in Bi0.5Na0.5TiO3 Prepared by the Reactive-Templated Grain Growth ProcessJ. J. Am. Ceram. Soc., 2008,126Sanjeeb