摘 要

(Ba, Ca)( Zr，Ti)O₃基(简写为 BCZT)无铅压电陶瓷是一类 A、B位离子复合取代的铁电体，在室温下具有较高的压电性能，被认为是最有可能取代铅基陶瓷的材料。本文主要研究不同含量的MnO₂掺杂对Ba_0.98Ca_0.02Zr_0.02Ti_0.98O₃（BCZT）压电陶瓷微观结构和电性能的影响。主要研究内容为：

将BCZT-xMnO₂ （0，0.1，0.2，0.3，0.4，0.5)陶瓷在1400℃下烧结，所得陶瓷样品的相结构没有明显变化，掺杂MnO₂后的陶瓷晶粒尺寸不断增大，晶粒更加均匀致密，且晶界清晰完整。其中BCZT-0.3 MnO₂陶瓷具有最高压电性能d₃₃=308 pC/N，极佳的铁电性能（剩余极化强度P_r=15.7 μC/cm²，降低的矫顽场E_c=180 V/mm）和较好的介电性能（100kHz下的介电常数ε_r=1800，介电损耗tanδ=1.04 %）得到最佳掺量后，将BCZT-0.3 MnO₂陶瓷分别在1350，1400，1450 ℃下退火，得出1400 ℃下烧结出的陶瓷具有最佳结晶性、致密度和电学性能。

关键词：无铅压电陶瓷；锰掺杂；微观结构；电性能

Abstract

(Ba, Ca)(Ti, Zr)O₃(abbreviated as BCTZ) based lead-free piezoelectric ceramic is a kind of A and B-site ion composite substituted ferroelectric.In this paper, we investigate the influence of doping Mn which from different compounds to the phase structure, surface morphologies,dielectric properties, ferroelectric properties and piezoelectric properties of Ba_0.98Ca_0.02Zr_0.02Ti_0.98O₃ ceramics. The main research contents can be described as follows:

BCZT-xMnO₂ (0, 0.1, 0.2, 0.3, 0.4, 0.5) ceramics sintered at 1400 °C exhibits similar phase structure. With the increase of MnO₂ doping content, the average grain size tends to be larger and more homogeneous. Among all, the BCZT-0.3 MnO₂ ceramics exhibits improved electrical properties: ε_r=1800, tanδ = 1.04 %, P_r = 15.7 μC/cm²，E_c = 180 V/mm, d₃₃ = 308 pC/N. Then, BCZT-0.3Mn ceramics was sintered at temperatures of 1350, 1400, 1450 °C, respectively. 1400 °C is the optimal sintering temperature with the best crystalline, desnity and electrical properties.

Key words: Lead-free piezoelectric ceramics, Mn doping,microstructure, electrical properties

目录

第1章 绪 论 3

1.1 陶瓷的压电性能 3

1.1.1 压电效应 3

1.1.2 压电参数 4

1.2钛酸钡陶瓷及应用 7

1.2.1 钛酸钡陶瓷简介 7

1.2.2 钛酸钡晶体结构及性能 8

1.3 本课题研究内容 10

第2章 实验方案设计与研究方法 12

2.1 实验原料与仪器设备 12

2.1.1 实验主要原料 12

2.1.2 实验主要设备 12

2.2 陶瓷的制备工艺流程 13

第3章 MnO₂掺量对BCZT压电陶瓷的影响 16

3.1不同MnO₂掺量下BCZT压电陶瓷的微观结构 16

3.2 不同MnO₂掺量下BCZT压电陶瓷的电学性能 18

3.3本章小结 21

第4章 烧结温度对BCZT-0.3MnO₂压电陶瓷的影响 22

4.1 不同烧结温度下BCZT-0.3MnO₂压电陶瓷的微观结构 22

4.2 不同烧结温度下BCZT-0.3 MnO₂压电陶瓷的电性能 23

4.3 本章小结 24

第5章 主要结论和进一步研究工作 25

5.1 主要结论 25

5.2 进一步工作展望 25

致谢 26

参考文献 27

第1章 绪 论

材料是人类科技进步、社会发展和赖以生存的基础，是现代化革命的先导，是我们当代文明的三大支柱之一。功能材料作为当今时代不可或缺的一种材料，其在力学、热学、声学及电磁学领域有着广泛且深入的应用。压电陶瓷材料是我们生活中使用最多的信息功能材料，利用压电陶瓷机械能和电能的相互转化特性，可以制造出一系列的电子元器件，其应用范围非常广泛，被广泛用于驱动器、滤波器、谐振器和换能器等器件领域，渗透在我们生活的每个角落^[1]。

如今，市场上广泛应用的压电陶瓷材料为PZT体系的铅基压电陶瓷，由于PZT中氧化铅的含量占60%，其在制备和使用过程中，会给人类健康和环境造成危害。随着社会的进步，人类保护环境的意识越来越强烈，人们希望通过生产和使用绿色能源来减少和限制铅对生态环境的破坏，人们不再只是获得兼具多功能性及易获取性，同时也进行了大量研究挖掘出绿色环保、性能优异的新型材料及相关产品。所以，积极探究并开发不含铅的压电陶瓷材料是关系到全球生态环境保护的重要课题，对我们的未来和我们的子孙后代的未来都有着深远的影响^[2]。