论文总字数：18509字

摘 要

本文系统地介绍了压电效应及由此引发的压电材料和压电陶瓷的具体概念，然后按照时间顺序阐述了压电陶瓷的发展历史，压电陶瓷从无到有，从劣到优的发展过程，随着科学技术的飞速发展，人们生活水平日新月异，人们对压电陶瓷材料技术的需求越来越强烈，于是我们可以看出，铅基压电陶瓷优点突出，缺点也很明显，除了一些物理化学性质上的缺陷外，该种类陶瓷对环境的破坏也很巨大，作为科技工作者，我们保护环境，开发优良无污染产品义不容辞。于是研究者将目光投向了尚未完全成熟的无铅压电陶瓷领域，凭着刻苦钻研的精神与执著，无铅压电陶瓷以越来越优良的形态走向世界。接下来我介绍了三种纯的无铅压电陶瓷材料，它们分别是钙钛矿陶瓷、铋层状陶瓷和钨青铜陶瓷，其中钙钛矿陶瓷又分为KNN(K_0.5Na_0.5NbO₃)、BNT(Bi_0.5Na_0.5TiO₃)和BT(BaTiO₃)等三类，是三种结构中研究最多的。但是，我们可以想到，单纯的无铅压电陶瓷也不具备更优良的性能，于是人们想到通过对无铅压电陶瓷改性处理以获得更优良的陶瓷材料。改姓方法主要有三种，本实验涉及的是掺杂改性法，于是又谈到了研究者的无铅陶瓷改性之路。然后介绍了本次实验的原料，具体步骤和表征方法，之后对数据进行处理分析，通过比较不同钠钾组分比研究掺杂改性压电陶瓷的性能，又从微观形貌研究了实验样品，并从铁电、电致应变、压电性能三个角度对不同组分比的压电陶瓷的性能影响，从而选出最优组分比。

关键词:BNT-BKT陶瓷 掺杂改性 电致应变 压电性能

ABSTRACT

In this paper, and the piezoelectric effect and the specific concepts of piezoelectric materials and piezoelectric ceramics are systematically introduced, and then the development history of piezoelectric ceramics is described in chronological order. The development process of piezoelectric ceramics from scratch, from inferior to excellent, with the rapid development of science and technology, people's living standards are changing with each passing day, and people's demand for piezoelectric ceramic material technology is becoming stronger and stronger. Lead-based piezoelectric ceramics have outstanding advantages and disadvantages, in addition to some defects in physical and chemical properties. In 2005, the damage of this kind of ceramics to the environment is also very great. As scientific and technological workers, it is incumbent on us to protect the environment and develop excellent pollution-free products. Therefore, the researchers turned their attention to the field of lead-free piezoelectric ceramics, which were not yet fully mature. with the spirit and persistence of hard research, lead-free piezoelectric ceramics went to the world in a more and more excellent form. Next, three important lead-free piezoelectric ceramic systems are discussed, namely, sodium potassium niobate (KNN) based ceramics, barium titanate (BT) based ceramics and bismuth sodium titanate (BNT) based ceramics (the above three are perovskite ceramics). Bismuth layered ceramics and tungsten bronze structural ceramics. Perovskite Ceramics are the most widely studied. However, the deficiency of pure lead-free piezoelectric ceramics is that pure lead-free piezoelectric ceramics do not have better properties, so people think of modifying lead-free piezoelectric ceramics to obtain better ceramic materials. There are three main methods to change the surname. In this experiment, the doping modification method is involved, so the researcher's way of modification of lead-free ceramics is discussed. Then the raw materials, concrete steps and characterization methods of the experiment were introduced, and then the data were processed and analyzed. The properties of the modified piezoelectric ceramics were studied by comparing the ratios of different sodium and potassium components, and the experimental samples were studied from the microscopic morphology. From three angles: ferroelectric, electrostrain and piezoelectric properties. The effect of degree on the properties of piezoelectric ceramics with different component ratios is carried out, and the optimal component ratio is selected.

KEYWORDS: BNT-BKT ceramics；Doping modification；Electro-strain；Piezoelectric properties

目 录

摘 要 I

ABSTRACT II

第一章 绪论 1

1.1 引言 1

1.2 压电效应与压电陶瓷 1

1.3 压电陶瓷的发展历史 1

1.4 实验研究背景 2

1.5 重要的无铅压电陶瓷体系简介 3

1.6 无铅压电陶瓷的改性 4

1.7 本课题实验研究内容 7

第二章 实验方法与性能测试 9

2.1 实验原料 9

2.2 实验工艺及流程 9

2.3 实验表征 10

第三章 结果分析与讨论 12

3.1 Bi0.5(Na_1-xK_x)_0.5Ti_0.98Sn_0.02O₃陶瓷的物相分析 12

3.2 Bi_0.5(Na_1-xK_x)_0.5Ti_0.98Sn_0.02O₃陶瓷的微观形貌 13

3.3 Bi_0.5(Na_1-xK_x)_0.5Ti_0.98Sn_0.02O₃陶瓷应变性能的研究 14

第四章 实验结论与展望 17

4.1 结论 17

4.2 展望 17

参考文献 18

致 谢 21

第一章 绪论

引言

上世纪八十年代，法国人居里兄弟在一次实验中偶然发现，给石英晶体一个特定的力，晶体就会出现一定量的电荷，且电荷密度与力的大小有关联，他们将此称为正压电效应。在这一伟大发现的激励下，他们又发现了更多与正压电效应相关的物理量和实验现象。到了90年代，又有科学家表示，当某晶体有不对称中心时，它很有可能作为压电材料投入应用当中。这一说法的提出，在科学界引起了很大的反响，随着压电材料的原料变得越来越广泛，其得到研究的机会也越来越多，越来越容易。目前来看，作为拥有无限前景的材料，压电材料给科学领域增添了浓墨重彩的一笔^[1]。

压电效应与压电陶瓷

研究者在发现了压电效应这一伟大现象后，顺理成章的根据该现象发明了能在机械能与电能间相互转化的压电陶瓷。它有很多特点，比如压电陶瓷的加工工艺简单、经济耐用、压电性、介电性及弹性性能优异等，它不仅在换能器、滤波器、变压器、鉴频器、驱动器、超声马达、传感器、医学成像、红外探测器等多种设备的生产上有着较突出的应用，而且在列车、手机、办公、舰船、航天及家用电子产品等多个领域独树一帜^[2]。自压电陶瓷问世之后，首先凭借优良的工作性能，广泛的生产来源和便宜的市场价格，铅基压电陶瓷受到社会上各个领域的热烈欢迎。铅基压电陶瓷在目前市面占据份额百分比达到了90 %以上，可以说是独占鳌头^[3-4]。

压电陶瓷的发展历史

压电陶瓷的研究和发展起始于居里兄弟实验中测得压电效应，为压电材料的科学研究做铺垫，上世纪四十年代便出现了第一个压电陶瓷-钛酸钡，引起不小的轰动。后来，根据钛酸钡制造的一系列器件问世。二十世纪五十年代，第二种压电陶瓷锆钛酸铅研制成功，其性能相比钛酸钡更加优越，之后出现了铅基压电陶瓷。六十年代，压电陶瓷经历不断改进，淘汰掉不合时宜的材料，留下性能更优良，应用更宽广的材料，这些材料以越发完善的性能受到热烈欢迎。之后，人们着手研究铁电体陶瓷材料，并不断深入挖掘，探索。之后几年，人们探索出了纳米技术，这是一个全新的领域，因此其备受关注，人们便将纳米技术应用到压电材料的制作工艺上，以求二者能够完美的融合，迄今也已取得了新的突破。近年来，人们又开始向多元系压电陶瓷材料前进，以期发现更能适应现代社会的告诉发展和人们越来越高的期望的材料。目前，世界各国正在大力研制开发无铅压电陶瓷，以保护环境和追求健康，预计不久的将来形成产业化生产。

1.4 实验研究背景

二十世纪末到本世纪初期，人们在工业和生活方面大量使用铅基陶瓷材料，而它在高温烧结的过程中氧化铅极易挥发，铅基压电陶瓷的烧结温度在1300 °C左右，在这样的高温烧结时，陶瓷坯体中的氧化铅挥发比较严重。因此，虽然锆钛酸铅体系压电陶瓷制备的一系列电子陶瓷器件产品已经能够广泛满足压电陶瓷材料的性能要求，但在生产使用废弃过程中会有大量的氧化铅泄露。因为氧化铅是一种有毒的重金属化合物，所以它会对人体的某些重要器官如肝脏，肾脏等产生极大危害，甚至会危及生命。近年来，世界上越来越多的国家和地区如中国，韩国，日本，欧盟等考虑到铅基压电陶瓷材料对人体和环境的危害，已经立法禁止或限制使用含铅等重金属的电子材料和陶瓷材料等有害材料，起到了很好的表率作用，为保护环境政策和可持续发展战略提供的法律依据^[5-7]。在这样的大背景下，研究和开发性能优异且无污染无害的无铅压电陶瓷是社会发展和科技进步的必然趋势^[8]。近年来，世界上已有多个国家开始重视无铅压电陶瓷的研究，并付诸行动，成立多个无铅压电陶瓷课题组。在这样的历史大趋势下，保护环境、减少污染源、坚持可持续发展的道路的原则已是众望所归。近年来人们致力于研究的三种主要的无铅压电陶瓷体系在一定方面已经可以取代铅基陶瓷，但是世上没有绝对完美的材料，以上三种材料也都有自己的不足之处，一些关键性问题还是亟待解决。在这些问题得到有效克服之前，铅基压电陶瓷依然还是主流材料。因此，我们必须尽快弄清楚优良材料的短处所在，以代替铅基材料，做到更优良，更环保，更健康^[9-14]。

1.5 重要的无铅压电陶瓷体系简介

无铅压电陶瓷作为铅基压电陶瓷的替代品，内部不含危害环境的铅基，对环境零污染，是压电材料研究的理想材料，但是，无铅压电陶瓷综合各方面性能还是略逊于铅基陶瓷，所以不能像铅基陶瓷一样广泛使用^[15-17]。

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