题目：(Ba0.85Ca0.15)(Zr0.1Ti0.9)O3无铅压电陶瓷的制备及改性研究

目前，钛酸钡(BT)压电陶瓷材料作为一种性能优异的压铁电材料，近几十年来其发展迅速已广泛的应用在光、声、电子学等领域。但是钛酸钡陶瓷一直具有居里温度低(Tc值约120 oC)、温度稳定性差等缺点，限制了其在室温下的应用。 Ba(Zr0.2Ti0.8)O3-(Ba0.7Ca0.3)TiO3(简称BCZT)作为一种新型二元系钛酸钡基陶瓷材料，在准同型相界(简称MPB)附近显示出很高的压电性能，其压电常数d33能够达到600 pC/N，可与铅基陶瓷材料相媲美，然而由于其仍旧存在一系列不尽如人意的缺点，影响着更大范围内的应用。本论文主要研究了利用固相反应法制备的BCZT基无铅压电陶瓷。首先，比较了不同的TiO2原料的差异以及其对BCZT压电陶瓷性能的影响。然后通过设计陶瓷体系和掺杂改性，降低BCZT陶瓷的烧结温度并提高其居里温度，为获得具有良好应用性能的无铅压电陶瓷提供候选材料。其主要结果如下： (1) 研究了两种不同晶相结构的TiO2原料对BCZT陶瓷相结构、显微形貌、介电性、压电性和铁电性等的影响。研究结果表明，两种TiO2原料的相结构存在着很大的差别，分别为纯的金红石型结构和纯的锐钛矿型结构。经过1200 oC预烧保温4 h，1440 oC烧结6 h后，两种系列的陶瓷样品的综合电性能均达到最佳，由纯金红石型TiO2为原料制成的BCZT陶瓷的电性能为：d33=590 pC/N，kp=0.46，Pr=11.18 ?C/cm2，Ec=2.38 kV•cm-1，?r=2900，?m=14500，tan? =0.014，Tc=91 oC。对于由纯锐钛矿型TiO2为原料制成的BCZT陶瓷的电性能为：d33=392 pC/N，kp=0.41，Pr=8.89 ?C/cm2，Ec=2.46 kV•cm-1，?r=2810，?m=11920，tan? =0.016，Tc=91 oC。从晶粒尺寸和电性能等方面来看，采用纯金红石型的TiO2原料所制备的BCZT压电陶瓷具有较高的综合性能。 (2) 以Ca0.28Ba0.72Nb2O6为添加剂，采用传统固相法和二步烧结技术制备BCZT-xwt.?CBN无铅压电陶瓷粉体。研究了不同烧结温度和不同CBN含量对BCZT陶瓷的相结构、显微形貌以及电性能方面的影响。研究结果表明：在BCZT中引入少量的CBN后，陶瓷的居里温度升高到98 oC，并且保持了较好的电学性能，说明添加适量的CBN可以提高陶瓷的居里温度，同时经过掺杂后的所有陶瓷样品均获得了纯的钙钛矿相。当含量为0.2 wt.?时，陶瓷晶粒均匀而饱满，晶界清晰并且密度最大，并且获得较佳的电学性能，性能如下：d33=560 pC/N，tan?=0.019， ?r=3724，Tc=98 oC，?m=21215，Pr=10.12 ?C/cm2，Ec=1.62 kV•cm-1。 (3) 以ZnO作为烧结助熔剂，采用传统固相法在1350 oC烧结制备BCZT-xwt.?ZnO无铅压电陶瓷。研究了不同烧结温度和不同ZnO含量对BCZT陶瓷的相结构、显微形貌以及电性能方面的影响。研究结果表明：在BCZT中引入少量的ZnO后，陶瓷的烧结温度从1440 oC降低到1350 oC，并且保持了良好的电学性能，同时所有样品均获得了纯的钙钛矿相，当含量为0.1 wt.?时，陶瓷晶粒均匀而饱满，晶界清晰且密度最大，并且获得最佳的电学性能，性能如下：d33 =649 pC/N，kp =0.56，tan?=0.019，?r=3498，?m=17727，Tc=96 oC，Pr=8.43 ?C/cm2，Ec=2.37 kV•cm-1，为实际应用提供了一个性能优良的BCZT基无铅压电陶瓷的候选材料。