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Bi(Zn0.5Ti0.5)O3—BaTiO3陶瓷的结构、介电和铁电性能 班 级：材料工程 801 姓 名：王 刚 库 指导老师：云 斯 宁 研究背景 近年来，由于建筑工业的发展和人们对装饰、装修要求的多样化，国内外建筑卫生陶瓷工业发张十分迅猛。 压电陶瓷发展现状 压电陶瓷作为一种新材料，近十几年来得到了迅速的发展。尽管70年代末到80年代中期，发达国家为应付可能产生的能源危机，在世界上掀起了一股研制陶瓷发动机而出现的“陶瓷热”，使很多的企业卷入了这一行列，但是由于陶瓷材料的制造成本，可靠性，重复性等问题，未能实现预定的目标，到如年代初开始降温。但这些研究成果使陶瓷材料的性能提高到一个崭新的水平，制备工艺技术取得了很大的进步，大大地加速了结构陶瓷实用化进程，只是市场没有像预期的增长那么快罢了。功能陶瓷由于电子、信息、通信事业的发展，仍稳步地增长，大约每年以10％的增长率发展。 压电陶瓷的合成方法 压电陶瓷的主要采用固相烧结合成法 在单纯固体间进行的烧结称为固相烧结。 固相烧结按其组元多少可分为单元系固相烧结和多元系固相烧结两类。 单元系固相烧结纯金属、固定成分的化合物或均匀固溶体的松装粉末或压坯在熔点以下温度(一般为绝对熔点温度的2/3一4/5)进行的粉末烧结。 多元系固相烧结合成法是两种组元以上的粉末体系在其中低熔组元的熔点以下温度进行的粉末烧结。 压电陶瓷的晶体结构 钛酸钡是属于典型的钙钛矿型晶体结构，其通式为ABO3。其中A代表二价金属离子，B代表四价金属离子。理想情况下，Ti4+原子处在由8个氧原子构成的八面体空隙的正中心陶瓷是许许多多极其微小晶体构成的集合体。 陶瓷材料的性质与其晶相的性质紧密相关，因此，需要了解BaTiO3的晶体的结构和性质。 BaTiO3晶体的结构主要有：有六方相、立方相和四方相等。如图为立方体BaTiO3结构 。 压电陶瓷的主要性能 压电陶瓷的性能主要有：介电性和铁电性等 介电性能是指在电场作用下,表现出对静电能的储蓄和损耗的性质，通常用介电常数和介质损耗来表示.材料应用高频技术时，如实木复合地板采用高频热压时介电性能是非常重要的性质。 压电陶瓷除了具有介电性能外，还具有铁电性能。铁电性能是指材料不仅在外电场不存在时，在某温度范围内具有自发极化，而且自发极化矢量的取向能随外电场的改变而改变方向的性质。 压电陶瓷的应用 压电陶瓷材料是实现机械能和电能相互转换的功能材料，在电、磁、声、光、热、力等功能器件中发挥着重要的作用，具有广阔的应用前景。关于压电、铁电材料的广泛应用，是从上个世纪四十年代中期开始的。自此以后六十多年来，其产品品种层出不穷，特别是近二十年，随着近代科学技术的飞跃发展，压电材料的应用也得到迅猛的发展。其应用范围如表1。 课题意义 目前在压电陶瓷领域，锆钛酸铅(Pb(Zr,Ti)O3（简称PZT）基陶瓷是在基础研究和实用化方面都最为成功的一类材料。但在PZT基陶瓷中含有大量的氧化铅(约占原料总量的70％)，它们在制备、使用和后处理过中，都会给环境和人类健康带来很大的损害。因此无铅陶瓷的发展变得十分重要。 无铅压电陶瓷(更广义称为环境协调性压电陶瓷)的直接含义是不含铅的压电陶瓷，其更深层含义是指既具有满意的使用性又有良好的环境协调性的一类新型功能陶瓷材料。它要求材料体系本身不含对生态环境可能造成损害的物质(特别是铅)，并且在制备、使用、废弃处理过程中不产生对环境可能有害的物质，以及制备工艺应具有耗能少、对环境污染小等良好的环境协调性。 实验内容 本文采用固相烧结合成法制备BT系统陶瓷，以Bi(Zn0.5Ti0.5)O3—BaTiO3陶瓷系统为研究对象，通过SEM、XRD等实验手段对其结构进行分析，研究陶瓷制备过程中烧结温度和烧结时间对结构演化的影响，并研究其介电性能和铁电性能。 实验原料 制备工艺 实验主要仪器与分析内容 样品制成 以Bi2O3，ZnO，TiO2为原料，按照化学式Bi（Zn0.5Ti0.5）O3进行配料；以BaCO3，TiO2为料料，按照化学式BaTiO3进行配料 。分别使用无水乙醇为介质湿磨2h—3h后烘干得到干粉。BZT原料粉在850℃～900℃空气中保温3h预烧，研磨后得到具有复合钙钛矿相的BZT粉末；BT原料粉在1180℃～1200℃空气中保温3h预烧，研磨得到具有钙钛矿相的BT粉末。 再以预烧得到的BZT、BT粉末为原料，按化学式(1-x)BZT-xBT (x=0.00，0.01，0.10，0.50，0.99，1.00)进行配料，经过同样的湿磨过程后干压成型，成型片厚度1mm，直径10mm。成型片在1150℃～1200℃空气中保温3h烧结，得到致密