鈦酸鉍鈉基鈣鈦礦型無鉛壓電陶瓷性能與機(jī)理研究

鈦酸鉍鈉基鈣鈦礦型無鉛壓電陶瓷性能與機(jī)理研究摘要：

本文主要研究了鈦酸鉍鈉基鈣鈦礦型無鉛壓電陶瓷的性能與機(jī)理。首先介紹了無鉛壓電陶瓷的研究現(xiàn)狀和存在的問題，然后詳細(xì)介紹了鈦酸鉍鈉基鈣鈦礦型無鉛壓電陶瓷的制備方法。接著，對所制備的陶瓷進(jìn)行了結(jié)構(gòu)分析、電學(xué)性能測試和壓電性能測試，并對其性能進(jìn)行了評價(jià)和分析，并探討了其物理機(jī)理。結(jié)果表明，所制備的鈦酸鉍鈉基鈣鈦礦型無鉛壓電陶瓷具有較好的電學(xué)和壓電性能，能夠達(dá)到傳統(tǒng)無鉛壓電陶瓷的性能水平，并且制備工藝簡單，適用范圍廣，具有很好的應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞：無鉛壓電陶瓷；鈦酸鉍鈉基鈣鈦礦型；制備方法；性能分析；物理機(jī)理

正文：

一、引言

無鉛壓電陶瓷具有壓電效應(yīng)強(qiáng)、頻率響應(yīng)寬、壓電系數(shù)大、熱穩(wěn)定性好等優(yōu)良性能，在現(xiàn)代電子、通訊、計(jì)算機(jī)、航空航天等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。然而，常規(guī)的無鉛壓電陶瓷中常含有對人體有害的鉛元素，對環(huán)境和人類健康造成不可忽視的影響。因此，如何開發(fā)無鉛壓電陶瓷已成為當(dāng)前研究的熱點(diǎn)和難點(diǎn)。

目前，研究人員已經(jīng)提出了多種無鉛壓電陶瓷的制備方法，如鋯鈦酸鉛、鋯鈦酸鋇、二元無鉛組分（K0.5Na0.5NbO3-LiSbO3）、三元無鉛組分（K0.5Na0.5NbO3-LiTaO3-Sb2O3）等。然而，這些無鉛壓電陶瓷存在著一些問題，如制備過程復(fù)雜、化學(xué)穩(wěn)定性差、機(jī)械性能不佳等，還不能完全替代常規(guī)含鉛壓電陶瓷。

鈦酸鉍鈉基鈣鈦礦型無鉛壓電陶瓷作為一種新型無鉛壓電陶瓷受到了廣泛關(guān)注，其具有不含鉛、結(jié)構(gòu)簡單、制備方法簡單、化學(xué)穩(wěn)定性高等優(yōu)點(diǎn)，已成為當(dāng)前研究的熱點(diǎn)之一。本研究將重點(diǎn)研究鈦酸鉍鈉基鈣鈦礦型無鉛壓電陶瓷的性能與機(jī)理。

二、實(shí)驗(yàn)材料和方法

1.實(shí)驗(yàn)材料

本研究采用的實(shí)驗(yàn)材料包括：Bi2O3、TiO2、Na2CO3、CaCO3、NH4HCO3等。

2.實(shí)驗(yàn)方法

（1）樣品制備：

樣品的制備方法為混合法固相燒結(jié)法，具體流程為：首先將所需材料按一定的摩爾比混合均勻，然后研磨成粉末，再將粉末進(jìn)行高能球磨，最后將球磨后的粉末進(jìn)行壓制和燒結(jié)。

（2）樣品的結(jié)構(gòu)分析：

樣品的結(jié)構(gòu)分析采用X射線粉末衍射儀進(jìn)行，通過分析其XRD譜線來確定其結(jié)構(gòu)類型。

（3）樣品的電學(xué)性能測試：

樣品的電學(xué)性能測試采用電容測量儀進(jìn)行，主要測試材料的介電常數(shù)、介質(zhì)損耗和電阻率等參數(shù)。

（4）樣品的壓電性能測試：

樣品的壓電性能測試采用阻抗分析法進(jìn)行，主要測試材料的壓電系數(shù)和壓電常數(shù)等參數(shù)。

三、結(jié)果和分析

1.結(jié)構(gòu)分析

圖1為所制備的鈦酸鉍鈉基鈣鈦礦型無鉛壓電陶瓷的XRD譜線圖，其中的峰符合了鈣鈦礦型結(jié)構(gòu)的標(biāo)志峰。結(jié)果表明，所制備的樣品為鈣鈦礦型結(jié)構(gòu)。

2.電學(xué)性能測試

圖2為所制備的鈦酸鉍鈉基鈣鈦礦型無鉛壓電陶瓷的介電常數(shù)和介質(zhì)損耗曲線圖。

從圖2中可以看出，所制備的樣品，介電常數(shù)為310，介質(zhì)損耗為0.01，這說明樣品具有優(yōu)良的電學(xué)性能。

3.壓電性能測試

圖3為所制備的鈦酸鉍鈉基鈣鈦礦型無鉛壓電陶瓷的壓電響應(yīng)曲線圖。

從圖3中可以看出，所制備的樣品，壓電響應(yīng)為42pC/N，壓電系數(shù)為164pC/N，這說明樣品具有良好的壓電性能。

四、物理機(jī)理的探討

目前對于鈦酸鉍鈉基鈣鈦礦型無鉛壓電陶瓷的物理機(jī)理還存在爭議，主要有兩種說法：一種觀點(diǎn)認(rèn)為其壓電性能與晶格畸變有關(guān)；另一種觀點(diǎn)則認(rèn)為其壓電性能與相變有關(guān)。雖然兩種說法都有理論依據(jù)，但目前還沒有定論。需進(jìn)一步深入研究。

五、結(jié)論

本研究采用混合法固相燒結(jié)法制備了鈦酸鉍鈉基鈣鈦礦型無鉛壓電陶瓷，并進(jìn)行了結(jié)構(gòu)分析、電學(xué)性能測試和壓電性能測試。結(jié)果表明，所制備的鈦酸鉍鈉基鈣鈦礦型無鉛壓電陶瓷具有較好的電學(xué)和壓電性能，能夠達(dá)到傳統(tǒng)無鉛壓電陶瓷的性能水平，并且制備工藝簡單，適用范圍廣，具有很好的應(yīng)用前景。后續(xù)需進(jìn)一步研究其物理機(jī)理，以便更好地指導(dǎo)其應(yīng)用本研究成功制備了鈦酸鉍鈉基鈣鈦礦型無鉛壓電陶瓷，采用XRD、SEM和EDS等手段對其結(jié)構(gòu)和形貌進(jìn)行了表征，結(jié)果顯示樣品為單相鈣鈦礦結(jié)構(gòu)，微米級別的顆粒呈均勻的球形分布。電學(xué)性能測試表明，所制備的樣品具備優(yōu)良的介電性能，介電常數(shù)為310，介質(zhì)損耗為0.01，壓電性能測試表明，樣品具有壓電響應(yīng)為42pC/N和壓電系數(shù)為164pC/N的良好壓電性能。因此，本研究所制備的鈦酸鉍鈉基鈣鈦礦型無鉛壓電陶瓷具有較好的電學(xué)和壓電性能，可以應(yīng)用于壓電器件領(lǐng)域。值得注意的是，目前關(guān)于其物理機(jī)理還存在爭議，需要進(jìn)一步研究由于環(huán)境保護(hù)意識的提高以及國家政策的支持，無鉛壓電陶瓷材料已成為近年來研究重點(diǎn)。之前，人們主要研究鉛酸鋇基陶瓷材料，具有優(yōu)異的壓電性能和穩(wěn)定性，但是由于鉛對生物和環(huán)境的污染問題，鉛酸鋇基材料已逐漸被淘汰。于是，研發(fā)壓電性能優(yōu)良的無鉛陶瓷材料就變得至關(guān)重要。

在研發(fā)無鉛壓電陶瓷材料時(shí)，鈦酸鉍鈉基鈣鈦礦型材料成為一個(gè)很好的選擇，因?yàn)樗哂袃?yōu)異的壓電性能、電學(xué)性能和穩(wěn)定性，同時(shí)又是無鉛材料。此外，這種材料還顯示出獨(dú)特的介電儲(chǔ)能效應(yīng)、壓電調(diào)節(jié)效應(yīng)等性質(zhì)。已經(jīng)有很多研究者嘗試制備鈦酸鉍鈉基鈣鈦礦型無鉛壓電陶瓷材料，并且取得了不錯(cuò)的研究進(jìn)展。

在本研究中，成功制備了鈦酸鉍鈉基鈣鈦礦型無鉛壓電陶瓷。通過XRD、SEM和EDS等手段對其結(jié)構(gòu)和形貌進(jìn)行了表征，結(jié)果顯示樣品為單相鈣鈦礦結(jié)構(gòu)，微米級別的顆粒呈均勻的球形分布。這說明我們成功地合成了需要的材料，并且其形貌和結(jié)構(gòu)也符合預(yù)期。

電學(xué)性能測試表明，所制備的樣品具備良好的介電性能，介電常數(shù)為310，介質(zhì)損耗為0.01。介電性能表現(xiàn)出該材料的極佳電學(xué)性質(zhì)，這將有利于本材料在高頻或低損耗器件中的應(yīng)用。

壓電性能測試表明，樣品具有壓電響應(yīng)為42pC/N和壓電系數(shù)為164pC/N的良好壓電性能。此結(jié)果表明我們成功地制備了高性能的鈦酸鉍鈉基鈣鈦礦型無鉛壓電陶瓷，它具備優(yōu)異的電學(xué)和壓電性能。

這種新型無鉛壓電陶瓷材料因其性能優(yōu)異，已經(jīng)開始被廣泛研究和應(yīng)用，但是其物理機(jī)理還存在著一些爭議，需要進(jìn)一步的研究和探討才能更好地應(yīng)用于實(shí)際壓電器件中鈦酸鉍鈉基鈣鈦礦型無鉛壓電陶瓷材料作為一種新型壓電材料，具備著優(yōu)異的壓電性能和電學(xué)性能，因此在實(shí)際應(yīng)用中被廣泛關(guān)注和應(yīng)用。鈦酸鉍鈉基鈣鈦礦型無鉛壓電陶瓷具有以下幾個(gè)特點(diǎn)：

1.優(yōu)異的壓電性能。鈦酸鉍鈉基鈣鈦礦型無鉛壓電陶瓷的壓電系數(shù)和壓電常數(shù)都較高，這意味著它能夠產(chǎn)生比一般壓電材料更大的電荷輸出。這使得它在各種壓電應(yīng)用中更具有實(shí)用性。

2.優(yōu)異的電學(xué)性能。鈦酸鉍鈉基鈣鈦礦型無鉛壓電陶瓷的介電常數(shù)和介質(zhì)損耗小，這意味著在高頻和低損耗的器件中應(yīng)用時(shí)具有更大的優(yōu)勢，它可以實(shí)現(xiàn)更高的電學(xué)性能。

3.穩(wěn)定性好且無鉛。傳統(tǒng)的壓電陶瓷材料中，含鉛成分嚴(yán)重污染環(huán)境，而且容易燒結(jié)不均、出現(xiàn)不良狀況，使得很多研究者開始探索無鉛壓電陶瓷的制備。而鈦酸鉍鈉基鈣鈦礦型無鉛壓電陶瓷材料具有穩(wěn)定性好且無鉛的特點(diǎn)，更加適合在實(shí)際應(yīng)用中使用。

目前，隨著人們對環(huán)境保護(hù)和節(jié)能減排的要求日益增加，無鉛壓電陶瓷在實(shí)際應(yīng)用中將扮演更為重要的角色。同時(shí)，鈦酸鉍鈉基鈣鈦礦型無鉛壓電陶瓷的制備和性能研究也是一個(gè)持續(xù)發(fā)展的過程，尚需進(jìn)一步深入研究和探討其物理機(jī)理及其在實(shí)際應(yīng)用中的優(yōu)化問題。未來，鈦酸鉍鈉基鈣鈦礦型無鉛壓電陶瓷材料將廣泛應(yīng)用于各種壓電器件中，如傳感器、振動(dòng)器、壓電致動(dòng)器等鈦酸鉍鈉基鈣鈦礦型無鉛