片状SRTIOLT3GT模板的熔盐合成与改性及其在制备PBMGLT13GTNBLT23GTOLT3GTPBTIOLT3GT织构压电陶瓷中的生长动力学.pdf

摘要 铌镁酸铅系陶瓷Pb(Mgl，3№2／3)03是一类具有优良介电、压电性 001方向具有优异压电性能而被认为是制作高效水声换能器、大应 变驱动器、智能结构传感器等器件核心部件的理想材料。但制备单晶 压电陶瓷目前普遍存在周期长、尺寸小、品质稳定性不佳以及难以加 工成复杂形状等问题，严重影响其规模化应用。传统烧结型PMN．PT 多晶压电陶瓷虽制备简单且性能较稳定，但其压电性能却显著低于对 应单晶。采用模板晶粒生长技术(TGG)制备织构型多晶陶瓷既能继 承由单晶体各向异性带来的优异性能，又可采用常规陶瓷成形与烧结 制备手段，并且对于多种不同晶体结构的陶瓷体系均有较好的制备适 用性，是一种高性能陶瓷的先进制备工艺。 模板。片状SrTiO，模板在熔盐合成过程中的形貌可控合成与改性、 以及低温烧结条件下烧结体内织构组织的快速形成，是其中两个技术 关键，将直接影响织构陶瓷的织构取向度和压电性能。本文作者选择 模板的熔盐可控合成和Ba2+掺杂改性、以及TGG技术制备相应织构 陶瓷过程中的基体和模板生长动力学行为与织构组织演变过程开展 相关研究，并完成以下几方面工作t Sr3Ti207产物需经历物相演变和形貌发育两个过程。物相演变过程中 析出模式在近似平衡的熔盐环境中发育成片状形貌。基于上述发现建 010台阶式生长的二维生长模型。熔盐种类和添加量以及合成条件 主要通过调控反应和传质过程来影响Sr3Ti207产物形貌尺寸。如采用 KCl／NaCl二元熔盐并改变其中组分，进而调整其对反应物／产物的溶 解传质能力，可有效调控片状Sr3Ti207颗粒形貌尺寸。缓慢升／降温条 件则有助于熔盐产物根据Sr3Ti207层状结构高度各向异性特点选择性 析出到Sr3Ti207颗粒各表面，进而形成高度各向异性的规整片状形貌。 层状钙钛矿结构经Sr-O层迁出后切变成SrTiO，完整钙钛矿结构；二 延生长。熔盐种类和添加量及合成条件主要通过改变物质溶解和析出 过程来影响SrTi03的形貌各向异性程度。如增加熔盐助剂含量、延 过程进行，经SrTi03小颗粒先溶解、进而在片状SrTiO，颗粒无取向 析出后，不利于获得形貌高度各向异性的SrTiO，颗粒。另外KCI较 NaCl更适合作为熔盐助剂合成片状SrTiO，颗粒。 状SrTi03前驱体在与BaO反应过程中，其片状形貌会受破坏，(Sr， Ba)Ti03产物在此受破坏表面析出后形成无规则形貌，最终发育成高 Ba2+置换程度的片状多晶团聚体，且其形貌无规程度随BaO含量的增 期片状(Sr，Ba)Ti03经各表面无取向生长后逐渐增厚。对于二步熔盐 层间扩散并置换出S，，在维持原有片状形貌的同时引入更多Ba2+， 所得产物与Ti02二次熔盐反应后得到形貌度高各向异性的规整片状 成方式。但增加Ba2+浓度会降低片状(Sr，Ba)Ti03表面平整程度。 4、)在反应．烧结技术制备铌镁酸铅陶瓷的研究中发现，所用镁源 反应物对烧结体的物相组成、相对密度以及显微结构有较大影响。将 前者热分解产物的高反应活性有助于反应物之间反应活性互相匹配， 进而可促进合成反应和基体烧结致密充分进行，850℃烧结4h后即可 得到单一钙钛矿相组成的PMN陶瓷，相对密度约95％。 的研究中发现，PbO熔化并形成液相烧结后，基体平均晶粒度和模板 平均外延尺度均随保温时间f的1／3次方形式增长，并分别遵循Lay 模型和由此衍生得到的模板外延生长模型。基体晶粒初始状态、PbO 液相含量和烧结制度可调控两类晶粒的生长动力学系数。PbO液相一 方面有助于基体晶粒溶解．析出过程进行，进而促进织构组织形成和 基体烧结致密；另一方面也会溶解破坏SrTi03模板规整形貌。因此 以PMN．32．5PT粉体为基体时，需在PbO熔化前适当保温，通过新 生外延层保护作用使SrTi03模板继续保持规整片状形貌。其中含 所用反应混合物为基体时，升温过程中反应所得高烧结活性的 模板时，1050℃烧结6h即可制得取向因子约53．8％的织构陶瓷，其 幽约690 pC／N，室温介电常数约3040。 关键词压电陶瓷，铌镁酸铅，多晶织构，片状SrTi03模板，模 板晶粒生长技术 III Abstract Lead oneoftheelectric