烧结方式对bnb-6陶瓷结构与性能的影响

烧结方式对bnb-6陶瓷结构与性能的影响

1钛酸哌钠系无铅压电陶瓷作为一种重要的高科技材料，低压陶瓷在超声波交换、传感器、破坏检测和通信技术等领域得到了广泛应用。目前在压电陶瓷领域中,广泛采用的仍是以PZT为基的多元系含铅陶瓷。铅是一种有毒的、且在高温下易挥发的物质。在陶瓷的高温烧结过程中大量铅的挥发势必造成环境的污染,直接危害人类的健康。近年来,随着人们环保意识的增强,无铅压电陶瓷的研究成为一个热点。钛酸铋钠(Bi0.5Na0.5TiO3)作为一种具有钙钛矿结构的铁电体,由于具有较强的压电性,因而引起人们越来越多的注意。目前,对于钛酸铋钠系无铅压电陶瓷的研究重点主要集中在传统工艺下的各种取代和掺杂改性以及新制备方法技术的探索,其中室温处于三方-四方准同型相界(MPB)附近的(Bi0.5Na0.5)0.94Ba0.06TiO3无铅压电陶瓷,因具有一些优异的压电铁电性能,如高的频率常数、较小的介电常数,尤其是该体系材料的kt/kp值大,即其压电常数具有很大的各向异性,从而引起很多研究者的关注[4,5,6,7,8,9,10,11,12,13,14]。在这些研究中,绝大部分集中在该体系性能的改善方面,一个方向是采用传统陶瓷制备工艺,通过掺杂改性改善该体系陶瓷性能,从现有研究结果来看,性能改善空间不大;另一个方向采用sol-gel、柠檬酸盐法等新的制备技术来改善其性能,如赵明磊等采用sol-gel技术制备的(Bi0.5Na0.5)0.94Ba0.06TiO3压电陶瓷,d33达到173pC/N,这明显比传统法制备的陶瓷压电常数要高。但是sol-gel技术相对于传统固相法,其工艺过程复杂,成本高,不利于工业生产。本文旨在采用传统陶瓷工艺,通过改善其工艺条件,制备高性能的(Bi0.5Na0.5)0.94Ba0.06TiO3压电陶瓷,以适应工业生产。2实验2.1陶瓷电极的制备采用传统陶瓷工艺制备(Bi0.5Na0.5)0.94Ba0.06TiO3无铅压电陶瓷。以Bi2O3(99%)、Na2CO3(99.8%)、BaCO3(99.8%)、TiO2(99.5%)为起始原料,按化学式配方的化学计量比称量。将原料混合物以锆球和酒精为介质滚动湿磨6h,然后烘干,或用锆球为介质振动球磨6h,于860~900℃、2h下预合成;合成后的陶瓷粉末充分研磨并过60目筛后,加入适量的粘结剂,造粒得到流动性好的颗粒;在一定压力下干压成型,获得厚1.2~1.5mm、直径为∅18mm的生坯片;考虑到盖烧,先对生坯片排胶,降温后,再装片,并于1180℃左右下用敞烧和盖烧两种烧结方式烧结2h得致密的陶瓷片。为了比较起见,以上各种条件下的排胶片同时在同一烧结炉中进行。将陶瓷片用丝网印刷机涂上氧化银浆,于600~700℃烧银,获得了电极的陶瓷样品。将此陶瓷样品在80℃下的硅油中,施加4kV/mm的电压极化20~30min,待放置一昼夜再测样品的电性能。2.2测量电性能kp的测量陶瓷样品的晶相结构采用PhilipsX’PertX射线衍射仪分析;微结构分析用JEOLJSM-5900扫描电子显微镜观测。电性能测试方式如下:用ZJ-2准静态d33测量仪(中国科学院声学研究所)测量d33;用HP4278A表测得介电常数εr和介电损耗tgδ;用HP4194A表采用谐振-反谐振法测得薄圆片样品的谐振频率fr和反谐振频率fa后,计算出kp;横向长度伸缩振动机电耦合系数k31为:k31=(1−σE2)12kpk31=(1-σE2)12kp式中σE为泊松比,它可由谐振频率和一次泛音频率计算得出。3结果与讨论3.1陶瓷晶面的结构图1是湿磨样坯片在1180℃采用敞烧和盖烧两种烧结方式所得的(Bi0.5Na0.5)0.94Ba0.06TiO3陶瓷样品的XRD图谱。从图1可以看出,两种烧结方式所得的陶瓷样品在40和46°左右均出现双峰,表明三方、四方两相共存,该组成处于准同型相界。从图1(c)、(d)可以明显看出,相对于敞烧样品,盖烧样品的XRD衍射峰均向小角度偏移,而且峰强明显比敞烧样品大,说明盖烧样品的晶面间距比敞烧样品的晶面间距要大,烧结方式会对晶格参数产生一定的影响。这可能与该体系中的Bi、Na二元素在高温下的挥发有关。3.2陶瓷样品的表面形貌图2(a)、(b)分别是湿磨样坯片在1180℃采用敞烧和盖烧两种烧结方式所得的(Bi0.5Na0.5)0.94Ba0.06TiO3陶瓷样品的表面微观形貌图。从图2可以看出,两种烧结方式均可获得致密的陶瓷样品。但是,不同烧结方式的陶瓷样品的表面晶粒形貌却存在明显的不同。敞烧陶瓷样品的表面晶粒没有棱角,几乎呈球形状,而盖烧样品的表面晶粒呈一定的方形棱角,与该组成的陶瓷样品本来该有的晶粒形貌基本一致。这说明通过盖烧阻止了部分Bi和Na的挥发,使陶瓷样品基本保持了原有的化学计量比,呈现出该组成陶瓷样品本来该有的晶粒形貌。3.3陶瓷压电常数表1列出了不同混料方式和烧结方式获得的(Bi0.5Na0.5)0.94Ba0.06TiO3陶瓷样品的各种性能。从表1可以看出,混料方式和烧结方式对陶瓷的压电常数d33和介电常数影响较大。在烧结条件相同的情况下,湿磨混料陶瓷的性能略优于干振混料陶瓷的性能,这主要归于湿磨混料的均匀性比干振混料的均匀性好的缘故。采用湿磨混料,相对于敞烧陶瓷而言,盖烧陶瓷的压电常数d33可提高近20pC/N,达到190pC/N左右;介电常数εr提高80达到900;机械质量因子略有下降,达到130。而烧结方式对机电耦合系数、介电损耗、频率常数影响较小。3.4tio3陶瓷性能表2列出了近20年来各研究小组研究开发出的性能较好的(Bi0.5Na0.5)0.94Ba0.06TiO3陶瓷的性能数据。从这些性能数据来看,本组制备的该体系陶瓷样品性能明显比其它课题组制备的掺杂改性(Bi0.5Na0.5)0.94Ba0.06TiO3陶瓷性能要高,而且比采用sol-gel技术制备的陶瓷样品的性能还高得多。4陶瓷混料和烧结方式对bi0.5na0.4.5采用传统陶瓷工艺制备了高性能的(Bi0.5Na0.5)0.94Ba0.06TiO3陶瓷样品,工艺重复性好。利用XRD、SEM等手段分析表征了陶瓷的结构、表面形貌、压电和介电性能,研究了混料方式和烧结方式对(Bi0.5Na0.5)0.94Ba0.06TiO3陶瓷性能