基本信息
- 项目名称：
- 铋基复合铁电体Bi(Zn1/2Ti1/2)O3改性BNT基
- 来源：
- 第十二届“挑战杯”省赛作品
- 小类：
- 能源化工
- 大类：
- 自然科学类学术论文
- 简介：
- 项目以“铋基复合铁电体BZT改性BNT基”为研究内容，研制出了居里温度与退极化温度较高的新型铋基钙钛矿型BZT–BNT–BaTiO3无铅压电陶瓷体系。研究畴壁振动引起的非本征贡献对压电性能的影响与d33在不同应力下的演变规律。采用In、Nd掺杂改性，得出其对BNBT5-BZT2陶瓷晶体结构、显微组织、介电压电性能与极化状态的影响。制备出d33=172pC/N，kp=0.36，性能优异压电陶瓷片
- 详细介绍：
- 压电陶瓷的发现与发展已有50多年，被广泛应用于制作超声换能器、压电蜂鸣器等器件，在国民经济、现代科学技术、现代国防中举足轻重。但目前所用的压电陶瓷主要是以钙钛矿型Pb(Ti,Zr)O3 (PZT) 为基本成分的铅基压电陶瓷。铅基压电陶瓷中PbO (或Pb3O4) 的含量约占其原料总量的70%，这类压电陶瓷在生产、使用和废弃后的处理过程中都会给人类和生态环境造成严重损害[1-6]。一些国家与地区正在立法或考虑立法禁止使用含铅的电子元器件。 现在，最有发展潜力的无铅压电陶瓷体系主要有钛酸铋钠((Bi0.5Na0.5)TiO3)基无铅压电陶瓷及铌酸盐系(主要为K0.5Na0.5NbO3)无铅压电陶瓷[7]。然而, 铌酸盐系压电陶瓷有一个很大的缺点，就是采用传统陶瓷工艺，难以获得致密性良好的陶瓷体。同时K0.5Na0.5NbO3体系中原料Nb2O5含量高，价格昂贵。此外，铌酸盐压电陶瓷的机械品质因数偏低也是应用中待解决的问题。这些缺陷极大地限制了该类材料的应用。 由于Bi具有与Pb类似的特性，即Bi在元素周期表上与Pb相邻，具有相同的电子分布、相近的离子半径和分子量，同时Bi的氧化物无毒，故铋基压电铁电材料成为无铅压电铁电材料研究的热点。铋基钙钛矿型钛酸铋钠((Bi1/2Na1/2)TiO3，简称BNT) 陶瓷具有较高的居里温度(Tc=320 ℃)，较大的剩余极化(Pr=38 µC/cm2)，被认为是最有可能取代铅基压电陶瓷的无铅候选材料之一[8-12]。 由于简单的化合物BiMeO3很难合成，并且在常压下不稳定。这样使得研究者把目光投向B位复合离子BiMeMeO3体系。研究发现这类材料大都具有畸变的钙钛矿结构。目前只发现Bi(Zn1/2Ti1/2)O3具有畸变的四方结构[13]。因此，本文考虑在三方结构的BNT中引入四方Bi(Zn1/2Ti1/2)O3化合物形成新型二元系(1-x)BNT-xBi(Zn1/2Ti1/2)O3，研究该体系是否存在三方、四方共存MPB结构和电性能的变化规律。
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撰写目的和基本思路
- 目的:研究新型二元与三元BNT体系无铅压电陶瓷，探讨这些组成与压电介电性能、极化程度的关系，揭示影响该体系陶瓷电性能的作用机理，为研究新的无铅压电陶瓷提供理论和实验依据。 思路:1.研究铋基复合铁电体BZT改性BNT基陶瓷的组成与结构、介电、压电性能、极化状态的关系，揭示其是否存在准同型相界及其成分范围。2.研究In、Nd掺杂对结构、性能与极化状态的影响规律，揭示压电性能与极化状态的关系。
科学性、先进性及独特之处
- 1、提出采用极化相位角衡量极化程度与压电性能的理论。 2、首次成功制备了纯钙钛矿结构、绿色环保新型二元系(1-x)BNT-xBi(Zn1/2Ti1/2)O3伪三系(0.95-x)(Bi1/2Na1/2)TiO3 –0.05BaTiO3–xBi(Zn1/2Ti1/2)O3无铅陶瓷。 3、该研究对BNT陶瓷的主体成份设计、微量元素掺杂的工作具有借鉴和指导意义。
应用价值和现实意义
- 1、采用传统固相烧结法制备无铅陶瓷具有工艺简单、成本低及制备时间周期短、经济效益好、绿色环保等特点。 2、该研究对BNT陶瓷的主体成份设计、微量元素掺杂的工作具有借鉴和指导意义。 3、预计该陶瓷材料在汽车倒车雷达、换能元件、超声美容、雾化器件与电声器件等领域具有实际应用的价值。 4、可在一定领域替代含铅压电陶瓷，绿色环保。
学术论文摘要
- 本文在三方结构的BNT基陶瓷中引入四方结构Bi(Zn1/2Ti1/2)O3化合物来改善电性能，揭示其是否存在准同型相界(MPB)及其成分范围。采用固相法制备了新型二元系(1-x)BNT-xBi(Zn1/2Ti1/2)O3、伪三元系(0.95-x)(Bi1/2Na1/2)TiO3 –0.05 BaTiO3–x Bi(Zn1/2Ti1/2)O3陶瓷，研究了Bi基多离子复合铁电体Bi(Zn1/2Ti1/2)O3对BNT、BNBT5陶瓷微观结构和压电介电性能的影响，提出了采用最大极化相位角θmax衡量压电陶瓷极化程度的理论。选择性能较好的0.93BNT-0.05BT-0.02Bi(Zn1/2Ti1/2)O3 (BNBT5-BZT2)组分，采用微量元素In、Nd掺杂改性，研究了In、Nd掺杂对BNBT5-BZT2陶瓷晶体结构、显微组织、介电压电性能与极化状态的影响。结果表明，Nd掺杂可以显著提高BNBT5-BZT陶瓷的压电常数d33与机电耦合系数kp ，在掺杂量为0.01wt%时压电性能达到最大值：d33=172pC/N，kp=0.36，接近于铅基汽车倒车雷达用压电陶瓷片的性能。
获奖情况
- 广西桂林电子科技大学第五届“创新杯”自然科学类一等奖。
鉴定结果
- 该项目为学生的课外学术科技作品，内容真实、可信。它绿色环保的社会意义，该研究对BNT陶瓷的主体成份设计、微量元素掺杂的工作具有借鉴和指导意义。
参考文献
- [1]Zhou Q, Zhou C R, Yang H B, et al. Dielectric properties and depolarization temperature of Bi0.5(Na, K)0.5TiO3–BiFeO3 lead-free ceramics. Physica B: Condensed Matter, 2010, 405(2):613-618. [4]Zuo R Z, Ye C, Fang X S, et al. Tantalum doped 0.94Bi0.5Na0.5TiO3–0.06BaTiO3 piezoelectric ceramics. J Euro Ceram Soc, 2008, 28 (4) : 871–877. [5]赁敦敏, 肖定全, 朱建国，等. 无铅压电陶瓷研究开发进展[J]. 压电与声光，2003，25(2)：127-132. [6] 肖定全. 关于无铅压电陶瓷及其应用的几个问题[J]. 电子元件与材料,2004, 23 (11) : 1-4. [8]李灵芝, 肖定全, 朱建国, 等. 从PZT体系看无铅压电陶瓷的可能应用[J].2004, 26(6):467-470. [10] 杨群保, 荆学珍, 李永祥, 等. 无铅压电陶瓷研究的新进展[J]. 电子元件与材料, 2004, 23(11):56-58. [11]郝俊杰, 李龙土, 王晓慧, 等. 无铅压电陶瓷材料研究现状[J]. 硅酸盐学报, 2004, 32(2):189-195. [12]贺连星, 李毅, 李广成, 李承恩. 无铅压电陶瓷材料研究进展[J]. 电子元件与材料, 2004, 23(11):52-54. [13]王海. 铋基无铅压电铁电材料的第一性原理研究[D]. 博士学位论文，哈尔滨工业大学，2007，7 [14]周昌荣. 无铅压电陶瓷BNT-BKT-BiMeO3(Me=Fe, Cr, Co)电性能基机理研究[D].博士学位论文，中南大学，2008，5.
同类课题研究水平概述
- 压电陶瓷被广泛应用于制作超声换能器等电子元器件，在经济、科学技术、国防中举足轻重的作用。但目前所用的压电陶瓷主要是以钙钛矿型Pb(Ti, Zr)O3 (PZT) 为基本成分的铅基压电陶瓷。铅基压电陶瓷中PbO (或Pb3O4) 的含量约占其原料总量的70%，这类压电陶瓷在生产、使用和废弃后的处理过程中都会给人类和生态环境造成严重损害。近年来，一些国家与地区正在立法或考虑立法禁止使用含铅的电子元器件。本项目通过研究 “铋基复合铁电体Bi(Zn1/2Ti1/2)O3改性BNT基”为研究内容，研制出了性能优良、居里温度与退极化温度较高的新型铋基钙钛矿型Bi(Zn1/2Ti1/2)O3–(Bi1/2Na1/2)TiO3–BaTiO3无铅压电陶瓷体系。研究畴壁振动引起的非本征贡献对压电性能的影响与压电常数在不同应力下的演变规律。在此基础上，采用微量元素掺杂改性，得出In、Nd对BNBT5-BZT2陶瓷晶体结构、显微组织、介电压电性能与极化状态的影响。制备出d33=172pC/N，kp=0.36，性能接近于铅基汽车倒车雷达用压电陶瓷片。为早日实现低成本、高性能的无铅环保压电陶瓷的市场化奠定基础。
