摘 要

本论文以水热法制备的BiFeO₃对0.5Ba(Zr_0.2Ti_0.8 O₃)-0.5(Ba_0.7Ca_0.3)TiO₃（BCZT）陶瓷进行改性，研究BiFeO₃改性对该陶瓷结构与性能的影响。本文主要的研究内容及结论如下：

1. 研究了烧结温度对BiFeO₃改性BCZT陶瓷的影响。将0.5% BiFeO₃改性的BCZT陶瓷于1260 °C ~ 1340 °C下烧结。结果表明，烧结后得到的陶瓷样品皆为钙钛矿结构，于1320 °C烧结的陶瓷样品具备最好的性能，此时相对密度为98.0%，P_r = 18.02 μC/cm²，d₃₃ = 240 pC/N，ε_r = 4450，T_C = 72.1 °C，tan δ = 0.013。0.5% BiFeO₃改性的BCZT陶瓷的最佳烧结温度比未改性的BCZT陶瓷低(1540 °C)，说明BiFeO₃具有促进BCZT陶瓷烧结致密化、降低烧结温度的作用。

2. 研究了BiFeO₃含量对BCZT陶瓷的影响。通过制备了一系列BiFeO₃改性BCZT陶瓷，其中BiFeO₃的掺杂量摩尔比x = 0, 0.2, 0.5, 1.0, 1.3, 1.5%，并进行结构与性能的测试后发现，随BiFeO₃的掺杂量的增加，陶瓷的密度先增加后减少，出现一个极大值，此时材料的结构最致密；陶瓷的物相由四方-正交共存相转变为三方相。当BiFeO₃的掺杂量为x = 0.2%时，陶瓷相对密度较高，介电、铁电和压电性能较好，P_r = 9.80 μC/cm²，d₃₃ = 265 pC/N，k_p = 0.28，ε_r = 5140，T_C = 73.3 °C。

关键词：锆钛酸钡钙；BiFeO₃；钙钛矿结构；压电介电性能

Abstract

In this paper, BCZT ceramics were modified by BiFeO₃ prepared by hydrothermal method to study the effect of BiFeO₃ modification on the structure and properties of the ceramics. The main contents and conclusions of this paper are as follows:

1. The effect of sintering temperature on BiFeO₃ modified BCZT ceramics was studied. The BCZT ceramic modified with 0.5% BiFeO₃ was sintered at 1260 °C to 1340 °C. The results show that the ceramic samples obtained after sintering are all perovskite and have the best properties at the 1320 °C sintered ceramic samples. The relative density is 98.0%, P_r=18.02 μc/cm², d₃₃=240 pC/N, ε_r=4450, T_C=72.1 °C, tan δ=0.013. The best sintering temperature of BiFeO₃ modified BCZT ceramics is lower than that of unmodified BCZT ceramics (1540 °C), indicating that BiFeO₃ has the advantage of promoting BCZT ceramics sintering densification and reducing sintering temperature.

2. The effect of the modification of BiFeO₃ on the structure and properties of the ceramics were researched. A series of BCZT ceramics those were modificated by BiFeO₃ was prepared. The molar ratio of BiFeO₃ was x = 0, 0.2, 0.5, 1.0, 1.3 and 1.5. I investigated the effects of BiFeO₃ modification on the structure and properties of BCZT ceramics. As a result, with the increase of the doping amount of BiFeO₃, the density of the ceramic increases first and then decreases, and a maximum value appears. At this time, the structure of the material is the most compact and the phase of the ceramic is changed from tetragonal-orthogonal to rhombohedral. The density, dielectric, ferroelectric and piezoelectric properties of ceramics have an optimum value when the doping amount of BiFeO₃ is x=0.2%, and these optimum value are ρ_v=5.63 g/cm3, P_r=9.80 μc/cm², d₃₃=265 pC/N, K_p=0.28, ε_r=5140, T_C=73.3 °C.

Key Words: BZT-BCT; BiFeO₃; structure; piezoelectric dielectric properties

目 录

摘 要 I

Abstract II

第1章 绪论 1

1.1 引言 1

1.2 压电效应与压电陶瓷材料 1

1.2.1 压电效应 1

1.2.2 无铅压电陶瓷 2

1.3 钙钛矿结构无铅压电陶瓷研究现状 2

1.3.1 铌酸钾钠基无铅压电陶瓷 2

1.3.2 钛酸铋钠基无铅压电陶瓷 3

1.3.3 钛酸钡基无铅压电陶瓷 4

1.4 锆钛酸钡钙无铅压电陶瓷研究现状 4

1.4.1 锆钛酸钡钙陶瓷的结构与性能 4

1.4.2 锆钛酸钡钙陶瓷的改性研究 5

1.5 本文的目的与主要内容 6

第2章 实验方法 7

2.1 样品制备 7

2.1.1 实验原料与设备 7

2.1.2 BiFeO₃改性的BCZT陶瓷的制备工艺 8

2.2 结构与性能表征方法 10

2.2.1 结构表征方法 10

2.2.2 性能表征方法 11

第3章 结果与讨论 13

3.1 烧结温度对BiFeO₃改性BCZT陶瓷的影响 13

3.1.1 烧结温度对BiFeO₃改性BCZT陶瓷结构的影响 13

3.1.2 烧结温度对BiFeO₃改性BCZT陶瓷性能的影响 14

3.2 BiFeO₃改性对BCZT陶瓷结构和性能的影响 17

3.2.1 BiFeO₃改性对BCZT陶瓷结构的影响 17

3.2.2 BiFeO₃改性对BZCT陶瓷性能的影响 18

第四章 结论 22

参考文献 23

致 谢 25

第1章 绪论

1.1 引言

压电陶瓷是一种能够实现机械能与电能的互相转换的功能陶瓷材料，除了具备铁电性能外，还具备介电等性能。因此，其应用涉及到信息，交通，机械，电子等多个领域。当前被广泛应用的压电陶瓷是锆钛酸铅压电陶瓷（PZT陶瓷），因为其压电性能好，居里温度较高（约300 °C）。但这类陶瓷中含有大量的铅，这使得在制备、使用和回收PZT陶瓷的过程中都会对环境和人类造成一定的损害。随着人们环保意识的增强以及可持续发展观念的普及，研究和开发出对人类和环境友好的高性能无铅压电陶瓷已经成为一项紧迫而又有重大意义的课题。

1.2 压电效应与压电陶瓷材料

1.2.1 压电效应

在某些电介质材料上施加具有一定方向的外力使其结构变形时，材料的内部产生极化现象，此为正压电效应；而电介质材料在加在其上的外电场的作用下发生形变，这种现象称为逆压电效应。压电效应与晶体的结构有密切的联系。若晶体的结构对称，那么晶体不会表现出压电效应。而当晶体的结构不对称时，如果对晶体施加具有一定方向的外力或外加电场，晶体会产生形变导致其正、负电荷中心发生分离，产生电偶极矩，使晶体发生极化，表现出压电效应。

压电陶瓷即是指具备压电效应的陶瓷。但压电陶瓷不是一开始就表现出压电效应的，压电陶瓷内部含有许多分布方向随机的电畴，这些电畴相互影响，使得压电陶瓷宏观不表现压电效应。为了使压电陶瓷表现出压电效应，需要在压电陶瓷上施加一定强度的电场对它进行极化，使其内部的电畴随着外加电场的方向转向，最终在外电场撤销后，陶瓷仍保留一部分极化强度，呈现出压电效应。