摘 要

由于人们环保意识的提高以及铁电陶瓷材料自身具备的特殊性质，无铅铁电陶瓷的研究与应用受到人们越来越多的重视。本文综述了铁电材料的分类、发展及应用，重点介绍了无铅铁电陶瓷的研究现状，研究了三元体系BNT-BT-BZ无铅铁电陶瓷的制备、物相组成、微观形貌及铁电性能，并对无铅铁电陶瓷的发展前景做出展望。

本文采用传统固相烧结法制备BNT-BT-BZ无铅铁电陶瓷，借助扫描电子显微镜(SEM)，X射线衍射仪(XRD)等表征仪器，通过对三元体系BNT-BT-BZ铁电陶瓷的物相、微观形貌及电性能的测试，研究不同烧结制度对三元体系BNT-BT-BZ陶瓷性能的影响。

结果发现，二步烧结制度烧结出的陶瓷性能要明显优于一步烧结制度烧结出的陶瓷性能。并且确定了最佳烧结制度为：5 ^oC/min升温到1180 ^oC，不保温，立即以20 ^oC /min的降温速率降温到1000 ^oC，保温5 h，随炉冷却至室温。在此烧结制度下烧结出的陶瓷致密性最好，晶粒生长均匀，晶粒尺寸一致，剩余极化强度和矫顽场强都较低，最大极化较大、最大应变和归一化应变相对于其他温度条件下烧结出的陶瓷有明显提高。

关键词：无铅铁电陶瓷 BNT-BT-BZ 一步烧结 二步烧结

Abstract

Due to the improvement of people's environmental awareness and the special properties of ferroelectric ceramics, the research and application of lead-free ferroelectric ceramics have been paid more and more attention. The classification, development and application of ferroelectric materials were reviewed in this paper. The microstructure, ferroelectric properties and material preparation of BNT-BT-BZ lead-free ferroelectric ceramics were studied in this paper. And it also looked in to the future of the lead-free ferroelectric ceramics.

In this paper, the BNT-BT-BZ lead free ferroelectric ceramics were prepared by the traditional solid-state sintering method. The phase and microstructure of BNT-BT-BZ ferroelectric ceramics were tested by scanning electron microscopy (SEM) and X-ray diffraction (XRD). This paper studied the effects of sintering method of BNT-BT-BZ ceramics.

The results showed that the performance of the BNT-BT-BZ ceramics sintered by two step sintering method was much better than that sintered by one step sintering method. And the best sintering system was: heating up to 1180 ^oC with the speed of 5 ^oC /min and cooling down to 1000 ^oC with the speed of 20 ^oC /min. Then keep 1000 ^oC for 5 hours.

Key Words：Lead free ferroelectric ceramics; BNT-BT-BZ; One step sintering method; Two step sintering method

目录

摘 要 I

Abstract II

第一章 绪论 1

1.1 引言 1

1.2 铁电材料概述 1

1.2.1 铁电与反铁电体 1

1.2.2 铁电材料的发展 2

1.2.3 铁电材料的分类 3

1.2.4 铁电-反铁电材料的应用 4

1.3 无铅铁电陶瓷材料 4

1.3.1 无铅铁电陶瓷材料的研究背景及意义 4

1.3.2 无铅铁电陶瓷的分类 5

1.3.3 BNT基无铅铁电陶瓷的研究现状 6

1.4 课题研究内容及思路 7

第二章 实验部分 8

2.1 实验原料及设备 8

2.1.1 实验原料 8

2.1.2 实验仪器 8

2.2 实验方法与步骤 9

2.3 测试与表征 10

2.3.1 物相结构的测试与分析 10

2.3.2 试样形貌测试与分析 10

2.3.3 应变曲线的测量 11

2.3.4 P-E电滞回线的测量 11

第三章 实验结果与讨论 12

3.1 一步烧结法制备三元BNT-BT-BZ陶瓷 12

3.1.1 烧结温度对BNT-BT-BZ陶瓷物相的影响 12

3.1.2 烧结温度对BNT-BT-BZ陶瓷微观形貌的影响 13

3.1.3 烧结温度对BNT-BT-BZ陶瓷铁电性能的影响 14

3.1.4 小结 17

3.2 二次烧结法制备三元BNT-BT-BZ陶瓷 17

3.2.1 二次烧结过程中不同最高温度对陶瓷物相的影响 18

3.2.2 二次烧结过程中不同最高温度对陶瓷微观形貌的影响 19

3.2.3 二次烧结过程中不同最高温度对陶瓷铁电性能的影响 20

3.2.4 小结 23

第四章 结论与展望 24

4.1 结论 24

4.2 展望 24

参考文献 26

致谢 28

第一章 绪论

1.1 引言

材料作为社会和国民经济发展的基础和先导，是人们生产生活中赖以生存发展的物质基础。人们生活水平的提高，离不开各种各样的高技术功能材料在其中发挥的巨大作用。在这些功能材料中，铁电材料受到了人们极大的关注。铁电材料是以钛酸钡为代表的晶体材料，具有介电性、压电性、热释电性、光电效应以及声光效应等重要特性，在红外探测器、空间光调制器、光学传感器及铁电存储器等方面有重要应用^[1]。目前，应用较广的是钙钛矿结构的锆钛酸铅（简称PZT）系列，优点是工作温度较低，并且剩余极化强度较大。但是随着研究的深入，人们发现PZT系列在长时间的使用中表现出了高的漏电流和较严重的疲劳问题^[2]。另外，铅的挥发对人体有害，欧盟、美国、日本以及中国等都立法对含铅材料的使用进行了限制^[3]。因此，探索开发无铅且性能优良的铁电材料具有广阔前景，已逐渐成为近些年来国内外研究热点之一。

1.2 铁电材料概述

1.2.1 铁电与反铁电体

由于晶体结构具有周期性和重复性，若每个晶胞中的正、负电荷中心互相不重合，所有晶胞的固有偶极矩将沿同向排列，晶体此时处于高度极化的状态，由于此时外电场为零，所以把它称为自发极化，晶体具有的这种自发极化的性质就叫铁电性^[4]。1921年,J.Valasaka首先发现铁电性,具有铁电性的晶体就叫铁电体^[5]。在交变电场作用下，铁电材料的极化强度P随电场E表现出与磁滞回线相似的非线性变化，我们把它称为电滞回线，如图1-1所示。铁电材料主要特征之一即是具有铁电性。

1951年，美国物理学家C. Kittle从唯象理论的角度出发提出了反铁电体这一新概念，并预测了反铁电体的存在性，同时提出了反铁电体所具备的一些基本特征^[6]。铁电体相邻的晶胞的自发极化现象是沿着同样的平行方向排列的，因此偶极子同向平行，从而导致总的自发极化不为零；反铁电体具有与铁电体类似的结构，但相邻的晶胞的极化方向却是反向平行的，偶极子也是反向平行排列的，因此，从宏观上来看，反铁电体的总体极化强度为零^[7]。

相对铁电体，反铁电体具有较低的剩余极化，当外电场超过矫顽场强大小时，反铁电体在外电场的作用下转变成铁电体，产生独特的双电滞回线，如图1-2所示。

在低压范围内，反铁电态晶胞中偶极子反平行排列，偶极矩在晶胞内部自行抵消，宏观不表现出自发极化，所以在电滞回线上表现为线性。当电场超过临界值时，反铁电态晶胞内部与电场方向相反的偶极子就会在外加电场的作用下转向和电场方向一致，反铁电体转变为铁电体^[8]。

相关图片展示：