熔鹽法制備大功率壓電陶瓷開題

1、本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）開題報(bào)告題 目：熔鹽法制備大功率壓電陶瓷 院 系 光學(xué)與電子信息學(xué)院_專業(yè)班級 光電子材料與器件 1202班 姓 名 周汪磊 學(xué) 號 U201214375 指導(dǎo)教師 范桂芬 2016 年 3 月開題報(bào)告填寫要求一、 開題報(bào)告主要內(nèi)容：1.課題來源、目的、意義。2.國內(nèi)外研究現(xiàn)況及發(fā)展趨勢。3.預(yù)計(jì)達(dá)到的目標(biāo)、關(guān)鍵理論和技術(shù)、主要研究內(nèi)容、完成課題的方案及主要措施。4.課題研究進(jìn)度安排。5.主要參考文獻(xiàn)。二、 報(bào)告內(nèi)容用小四號宋體字編輯，采用A4號紙雙面打印，封面與封底采用淺藍(lán)色封面紙（卡紙）打印。要求內(nèi)容明確，語句通順。三、 指導(dǎo)教師評語、教研室（系、所）或開題報(bào)告答辯小

2、組審核意見用藍(lán)、黑鋼筆手寫或小四號宋體字編輯，簽名必須手寫。四、 理、工、醫(yī)類要求字?jǐn)?shù)在3000字左右，文、管類要求字?jǐn)?shù)在2000 字左右。五、 開題報(bào)告應(yīng)在第八學(xué)期第二周之前完成。 熔鹽法制備大功率壓電陶瓷一、課題背景1課題來源 國家自然科學(xué)基金2課題目的（1）熟練掌握電子陶瓷材料的制備工藝原理；（2）探討硫酸鹽（如Na2SO4）、氯化物（如KCl、NaCl）等的劑量以及制備工藝（預(yù)燒、燒結(jié)工藝等）對陶瓷性能的影響，以期獲得性能良好的大功率壓電陶瓷的配方及工藝。3課題背景及意義 壓電材料是一種重要的電子材料,廣泛用于各個(gè)工業(yè)部門和高科技領(lǐng)域,是重要的功能材料。近年來,由于壓電馬達(dá)、壓電變壓器

3、和壓電換能器的廣泛使用,大功率壓電陶瓷材料也逐漸成為近期的研究熱點(diǎn)。大功率壓電陶瓷主要應(yīng)用于高電壓和高壓力策動(dòng)及系列大功率發(fā)射型超聲換能器、水聲換能器及大功率遠(yuǎn)程聲納換能器等方面。這要求換能器材料具有機(jī)械品質(zhì)因數(shù)高,強(qiáng)電場下介質(zhì)損耗小和壓電性能好等高性能特點(diǎn)。要求大功率壓電陶瓷材料的介電損耗小,尤其是在強(qiáng)場下(如200V/mm以上)工作,不至于因損耗而過熱,最終導(dǎo)致壓電材料性能下降。大功率材料的性能需要有較好的穩(wěn)定性才能適應(yīng)其在強(qiáng)場下的應(yīng)用 。常規(guī)的固態(tài)反應(yīng)（SSR）過程涉及高溫和較長的反應(yīng)時(shí)間會(huì)導(dǎo)致不良的成分均勻性和所提供的產(chǎn)品與大晶粒。此外，對于如燒結(jié)密度，化學(xué)均一性，和電性能這些重要陶瓷

4、的物理性質(zhì)，都受到最后的微晶粉末的影響。而采用熔鹽法可以明顯地降低合成溫度和縮短反應(yīng)時(shí)間，可以更容易地控制粉體顆粒的形狀和尺寸，另外，熔鹽法的反應(yīng)過程以及隨后的清洗過程中，也會(huì)有利于雜質(zhì)的消除，形成高純的反應(yīng)產(chǎn)物，故而采用熔鹽法來制備大功率壓電陶瓷。二、目前基本研究情況陜西師范大學(xué)的陳祖培常云飛等采用Pb3O4, ZrO2, Nb2O5, SrCO3, ZnO, TiO2, MnO2, Sb2O3, CeO2, NaCl 和KCl的工業(yè)級粉末制備0.95Pb0.95Sr0.05(Zr0.52Ti0.48)O30.048Pb(Zn1/3Nb2/3)O30.048Pb(Mn1/3Sb2/3)O3

5、+ 0.1% CeO2.PZT-PZN-PMS三元壓電陶瓷。首先，氧化物源和氯化鈉-氯化鉀磁通進(jìn)行共混，并在乙醇球磨6小時(shí)。然后，將干燥的漿料在750和8008C分別煅燒2小時(shí)，。用熱蒸餾水直至氯不能被Ag+試劑被檢測的煅燒粉末進(jìn)行洗滌。干燥后，用800的煅燒粉末與5重量的聚乙烯醇（PVA）溶液混合，然后壓成丸粒與在100兆帕的壓力，直徑1.3厘米綠色圓片在各種溫度下燒結(jié)從900到1170持續(xù)2小時(shí)。為了與由MSS方法得到的樣品的結(jié)果進(jìn)行比較，經(jīng)由CMO工藝還制備PZT-PZN-PMS陶瓷。形成各燒結(jié)盤的兩面上的銀電極，并且將樣品在空氣中在1.1千伏/毫米，345極化10分鐘。圖1示出在不同溫

6、度下焙燒粉末的X射線衍射圖案。由MSS方法均勻的鈣鈦礦相在750已經(jīng)存在，但由CMO方法同樣的相位不能形成直到高于800。結(jié)果表明，可通過MSS方法可以降低煅燒溫度。當(dāng)煅燒溫度達(dá)到750，因?yàn)樗鼈兙哂械凸踩埸c(diǎn)（大約650）的鹽存在液體。反應(yīng)物的擴(kuò)散加速，由于小的擴(kuò)散距離和在熔融鹽，這容易引起固體反應(yīng)，使粉末的活性提高氧化物的更高的遷移率。清華大學(xué)的趙溪石，李強(qiáng)等人在合成PMN-PT粉末過程中采用0.635Li2SO4-0.365Na2SO4和0.5NaCl-0.5KCl為反應(yīng)介質(zhì)的熔鹽合成（MSS）方法, 它們的熔點(diǎn)約為594和650攝氏度，鹽/氧化物的重量比（W）為1：1， 采用過量3的Pb

7、O在燒結(jié)過程中以補(bǔ)償?shù)腜bO損失，試劑級氧化物（PbO，MgO，Nb2O5,TiO2）的合適的量用Li2SO4- Na2SO4或氯化鈉-氯化鉀鹽進(jìn)行球磨4小時(shí)，以獲得均勻分布的混合物混合。然后將干燥的粉末在氧化鋁坩堝中750-900攝氏度焙燒30分鐘或1小時(shí)。在冷卻到室溫后，將粉末洗滌數(shù)次以去離子水，直到?jīng)]有硫酸離子，或使用1M / L的Ba（NO 3）2和AgNO3溶液，分別進(jìn)行檢測氯。然后將粉末在120 攝氏度干燥。干燥得到的粉末被壓到分別在直徑為10毫米，厚度約2毫米的粒料。粘合劑燒盡后，將綠板在富鉛氣氛中，在各種溫度下燒結(jié)2小時(shí)，涂于陶瓷的表面。在各種溫度下燒結(jié)2小時(shí)的0.67PMN-

8、0.33PT陶瓷XRD圖譜如下所示圖1 不同溫度下燒結(jié)2小時(shí)的0.67PMN-0.33PT陶瓷XRD圖譜 為了研究合成條件對PMN-PT陶瓷的密度的影響，從MSS的不同粉末中硫酸鹽通量和氯化物通量800攝氏度 30分鐘'，鈮鐵礦在1100攝氏度下4小時(shí)和900度2小時(shí)來研究它們的燒結(jié)性能。結(jié)果如下圖二。圖2 0.67 PMN-PT0.33陶瓷相對密度在不同燒結(jié)溫度下2小時(shí)PMN-PT陶瓷具有斜方和四方相共存，通常表現(xiàn)出優(yōu)良的介電和壓電性能。該組合物被證實(shí)后，陶瓷的特性與微觀結(jié)構(gòu)密切相關(guān)?；诿芏群蚐EM的結(jié)果，我們可以看到，在1150和1175攝氏度燒結(jié)陶瓷具有最大的密度，并且因此他們

9、的壓電和介電性能進(jìn)行了測試，如表1所示。圖3示出介電常數(shù)（ER）具有以不同的頻率（0.1100千赫）的溫度的變化。沒有任何弛豫行為的介電色散曾在165被觀察到;這是涉及到鈦中PMN-PT固體溶液摻雜的效果。在（1×）PMN PT固體溶液中，用PT含量的增加，居里溫度Tc升高，在PMN鐵電順序中Ti 4+為復(fù)雜的B位的取代（MG1/3Nb2/ 3）4+離子減小，這導(dǎo)致了電介質(zhì)隨溫度弛豫和分散用的PMN-PT固溶頻率的降低。此外，在介電常數(shù) - 溫度曲線有兩個(gè)峰;這表明，當(dāng)溫度升高發(fā)生過兩次相變。在約100時(shí)，鐵電菱形相轉(zhuǎn)化為鐵電體四方晶相;位于最大的介電常數(shù)另一個(gè)高峰，最高溫度165，

10、這是由于鐵電四方相轉(zhuǎn)變?yōu)轫橂娤?。介質(zhì)損耗增加相轉(zhuǎn)變發(fā)生時(shí)，峰介電損耗的溫度為比峰介電常數(shù)的峰值溫度略低。圖3 PMN-PT陶瓷的介電常數(shù)（E0）和tg的溫度依賴性結(jié)果表明，由MSS具有較小顆粒尺寸和良好的分散性合成PMN-PT的粉末能降低PMN-PT陶瓷的燒結(jié)溫度。PMN-PT陶瓷具有96以上的相對密度可以在從硫酸熔鹽粉末的1150年至1180年C.致密化效果比從氯化物的熔融鹽更好得到。從在1175下燒結(jié)2小時(shí)的硫酸鹽MSS粉末PMN-PT陶瓷的相對密度來98。在硫酸鹽焊劑的情況下，在1100-1200下燒結(jié)0.67PMN-0.33PT陶瓷斷裂模型顯示晶間斷裂，而在氯化物的熔融鹽的情況下，0.

11、67PMN-0.33PT陶瓷斷裂模型顯示穿晶斷裂。在相同的燒結(jié)溫度下，從氯化物的熔融鹽陶瓷的晶粒尺寸比從硫酸鹽熔鹽大。用熔鹽法制備0.67PMN-0.33PT陶瓷具有良好的壓電和介電性能;在11751C燒結(jié)2小時(shí)0.67PMN-0.33PT陶瓷最大介電常數(shù)達(dá)29385，而D33為約660 PC/ N。三、預(yù)期目標(biāo)(1) 介電性能達(dá)到：r=1000-1100，tan<0.002（越小越好）；(2) 壓電性能達(dá)到：kp>0.56， d33>270pC/N，Qm>1000(在此基礎(chǔ)上越大越好)；(3) 居里溫度Tc高于340ºC，耐壓強(qiáng)度達(dá)到300V/mm以上；四、

12、方案設(shè)計(jì)1.為了得到預(yù)期目標(biāo)，實(shí)驗(yàn)基本配方為，摻雜CeO2及Yb2O3。所以配方為：PMS-PZT + 0.25 wt% CeO2+X wt% Yb2O3分別燒結(jié)x=0.3、0.6、0.9、1.2時(shí)的制品。2.實(shí)驗(yàn)步驟：配料球磨烘干預(yù)燒二次球磨烘干造粒壓片燒結(jié)涂電極（被銀）燒電極（燒滲）極化測試配料：按照化學(xué)計(jì)量比稱取原料，一般配取0.3mol/罐或0.5mol/罐（多的可以下次用）；球磨：一般粉體與去離子水的比例約為1:1.2，球磨3h；烘干：球磨3h后出料，置于烘箱中烘干，并過篩（40目）；預(yù)燒：預(yù)燒溫度900、保溫1h，升溫速率5/min；二次球磨：摻雜后加入比第一次略少的去離子水，球磨

13、3h；烘干：烘干后過篩（40目）；造粒：加入粉體質(zhì)量7%的PVA（粘結(jié)劑），造粒并過篩；壓片：壓強(qiáng)8MPa、樣品直徑18mm、厚度1.5mm左右；燒結(jié)：550保溫30min排膠、1300左右燒結(jié)2h（具體燒結(jié)溫度視情況而定）；涂電極：將燒出陶瓷片磨至1mm左右，超聲清洗，烘干，涂中溫銀漿；燒電極：550保溫10min；極化：120硅油、所加電場4kV/mm、15min；測試：利用XRD、安捷倫4294A、介溫儀等測試。3.試驗(yàn)完成后測試主要有：通過測量Qm、Tc、tan、kp、k31、d33、電滯回線等參數(shù)來表征最佳摻雜濃度，以此來確定最摻雜配方。五、課題研究進(jìn)度安排表2 課題研究進(jìn)度安排表學(xué)

14、期周次工作任務(wù)2015-2016第一學(xué)期21周22周文獻(xiàn)查閱，設(shè)計(jì)試驗(yàn)方案，完成英文文獻(xiàn)翻譯2015-2016第二學(xué)期1周4周文獻(xiàn)查閱，設(shè)計(jì)試驗(yàn)方案，完成英文文獻(xiàn)翻譯5周12周完成壓電陶瓷的制備13周16周完成壓電性能測試，并整理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)17周20周撰寫畢業(yè)論文，答辯。六、參考文獻(xiàn)1 Uchino K, Zhuang Y, Ural SO. Loss determination methodology for a piezoelectric ceramic: new phenomenological theory and experimental proposal.J Adv Dielectr

15、 2011;1:1731.2 Umeda M, Nakamura K, Ueha S. The measurement of high-power characteristics for a piezoelectric transducer based on the electrical transient response. Jpn J Appl Phys 1998;37:53225.3 Hirose S, Aoyagi M, Tomikawa Y, Takahashi S, Uchino K. High powercharacteristics at antiresonance frequ

16、ency of piezoelectric transducers.Ultrasonics 1996;34:2137.4 Uchino K, Zheng J, Joshi A, Chen YH, Yoshikawa S, Hirose S, et al.High power characterization of piezoelectric materials. J Electroceram1998;2:3340.5 Uchino K, Giniewicz J. Micromechatronics. New York: Marcel Dekker;2003.6 S. Tashiro, M. I

17、kehiro, and H. I garashi, Influence of temperature rise and vibration l evel on electromechanical properties of high-power piezoelectric ceramics. Jpn. J. Appl. Phys. 36, 30043009(1997).7 S. Hirose, M. Aoyagi, and Y. Tomikawa, Dielectric loss in a piezoelectric ceramic transducer under high-power op

18、eration; increase of dielectric loss and its influence on transducer efficiency.Jpn. J. Appl. Phys. 32, 24182421 (1993).8 S. Zhang, R. Xia, L. Lebrun, D. Anderson, and T. R. Shrout, Piezoelectric materials for high power, high temperature applications. Mater. Lett. 59(27), 34713475 (2005).9 G. E. Martin, Dielectric, elastic, and piezoelectric losses in piezoelectric mate