磁场作用下BT和NBT取向无铅压电陶瓷的制备研究

论文摘要

随着科学技术的发展和对环境保护的大力支持,无铅压电陶瓷越来越多地引起人们的重视,寻找能够替代传统的含铅压电陶瓷材料的无铅压电陶瓷材料具有非常重要的科学意义。本文以钛酸铋Bi4Ti3O12（BT）和（Na0.5Bi0.5）TiO3（NBT）无铅压电陶瓷为研究对象,通过磁场控制的制备方法,在陶瓷粉浆浇注成型的过程中,给浆料提供一些外在诱因使颗粒沿某一个方向排列,致使在随后的烧结过程中,晶粒能在此基础上有序生长,得到各向异性显著的织构陶瓷,提高无铅压电陶瓷的性能。利用粉浆浇注法制备BT和NBT陶瓷素坯,根据分散剂对浆料流动性的影响及作用机理,选择聚甲基丙烯酸按（PMMA-NH4）作为分散剂,确定浆料中分散剂的含量为BT和NBT固体粉体质量的0.4%和1.6%。选择聚乙烯醇（PVA）作为粘结剂,在保证素坯密度和强度的前提下,粘结剂含量占浆料中溶液质量1%时,浆料流动性、稳定性达到良好。当浆料pH值为9时,浆料中分散剂、粘结剂达到最佳的综合效果,浆料具备良好的流动性、稳定性达并达到悬浮状态,为颗粒在磁场中转向创造最佳的液体环境。研究强磁场对弱磁性BT和NBT陶瓷晶粒定向生长的影响,首先观察磁场作用下NBT陶瓷微观组织和X射线衍射峰的强度。在强磁场下,NBT陶瓷微观组织和X射线衍射峰的强度并没有发生明显变化,强磁场对NBT无铅压电陶瓷的取向作用不明显。X射线衍射结果发现,12T恒稳强磁场条件下,垂直于磁场方向的BT样品表面上,（hk0）晶面的衍射峰强度显著增加,表明磁场作用下BT陶瓷中产生织构。组织观察亦表明磁场作用下BT陶瓷晶粒发生了取向生长。通过Lotgering方法计算BT陶瓷的取向度,得到12T恒稳强磁场条件下BT取向因子户0.5877。分析讨论了强磁场中弱磁性BT无铅压电陶瓷晶粒有序取向转变过程。强磁场下,BT陶瓷晶体c轴旋转至与磁场方向垂直时,晶体磁能降低,弱磁性的BT陶瓷就在强磁场的作用下晶粒发生了择优取向,BT陶瓷的取向度大幅提高。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 目录
• 第1章 绪论
• 1.1 压电陶瓷的发展历程与应用
• 1.2 无铅压电陶瓷的研究进展
• 1.2.1 钙钛矿型压电陶瓷
• 1.2.2 钛酸钡基无铅压电陶瓷
• 1.2.3 铌酸盐系无铅压电陶瓷
• 1.2.4 含铋层状结构压电陶瓷
• 1.2.5 钛酸铋钠基压电陶瓷
• 1.3 压电陶瓷晶粒取向生长技术
• 1.3.1 常用晶粒定向技术
• 1.3.2 强磁场下晶粒定向技术
• 1.4 注浆成型简介
• 1.4.1 注浆成型机理
• 1.4.2 注浆成型的方法
• 1.4.3 加速注浆方法
• 1.5 本文的主要研究内容
• 第2章 实验方法
• 4Ti₃O₁₂粉体的合成'>2.1 片状Bi₄Ti₃O₁₂粉体的合成
• 2.1.1 实验原料与过程
• 2.1.2 实验原理分析
• 4Ti₃为₁₂粉体形貌'>2.1.3 Bi₄Ti₃为₁₂粉体形貌
• 2.2 NBT无铅压电陶瓷粉体的合成
• 2.2.1 实验原料与过程
• 2.2.2 实验流程及配料计算
• 2.2.3 NBT粉体形貌
• 2.3 磁场作用下粉浆浇注烧结取向无铅压电陶瓷
• 2.3.1 实验原料与过程
• 2.3.2 实验原理分析
• 2.4 分析测试手段
• 第三章 NBT及BT陶瓷粉体的浆料配制及浇注成型
• 3.1 注浆成型的工艺流程
• 3.2 石膏模具
• 3.2.1 石膏的性能、分类及选材
• 3.2.2 石膏浆的调制与浇注
• 3.3 浆料的配置
• 3.3.1 浆料分散剂的选择
• 3.3.2 不同含量分散剂对陶瓷浆料的影响
• 3.3.3 粘结剂聚乙烯醇（PVA）对浆料的影响
• 3.3.4 pH值对浆料的影响
• 3.4 本章小结
• 第4章 磁场作用下制备BT和NBT取向无铅压电陶瓷
• 4.1 实验工艺流程
• 4.2 强磁场下BT无铅压电陶瓷取向分析
• 4.2.1 渐变磁场下BT无铅压电陶瓷取向分析
• 4.2.2 恒强磁场下BT无铅压电陶瓷取向分析
• 4.3 恒强磁场下NBT无铅压电陶瓷取向分析
• 4.3.1 X射线衍射分析
• 4.3.2 微观组织形貌分析
• 4.4 强磁场下晶粒取向的简单分析
• 4.5 本章小结
• 第5章 结论
• 参考文献
• 致谢