摘 要

压电材料是一种重要的、拥有国际竞争力的多功能材料，能实现机械能与电能间转换的先进功能材料，普遍应用于军事、民事、工业等领域，如压电传感器、压电驱动器、换能器等，在信息检测、转换、处理以及存储等方面具有广阔的应用前景。

本文借助对样品XRD、SEM、介电性能测试和铁电性能的测试，表征了NBT-KBT-BT三元系无铅压电陶瓷的结构与电学性能，并对不同的烧结温度和掺杂量进行了比较，所得结果对于NBT-KBT-BT三元无铅压电陶瓷的应用具有一定的指导意义。

论文主要研究了：NBT-KBT-BT三元无铅压电陶瓷的晶体结构、表面形貌及电学性能。研究结果表明：NBT-KBT-BT三元无铅压电陶瓷不单拥有环境友好的特性，还具有较好的电学性能，可在部分压电材料应用领域取代PZT含铅压电陶瓷。经过实验验证，结果表明对于(1-3x) NBT- 2xKBT- xBT三元无铅压电陶瓷，使陶瓷致密度最佳的烧结温度是1140℃，使陶瓷电学性能最佳掺杂量是x=0.04。

关键词：NBT- KBT- BT；无铅压电陶瓷；铁电性能；介电性能;表面形貌。

Abstract

In this paper, by means of sample XRD, SEM, dielectric properties and ferroelectric properties test, structure and electrical properties of NBT-KBT-BT three lead-free piezoelectric ceramics were characterized, and the sintering temperature and different doping levels were compared, the results have important guiding significance for the application of NBT-KBT-BT ternary of lead-free piezoelectric ceramics.

The structure and electrical properties of NBT-KBT-BT ternary lead free piezoelectric ceramics are mainly studied in this thesis. The results show that NBT-KBT-BT ternary lead free piezoelectric ceramics are not only environmentally friendly, but also have good electrical properties. They can substitute for PZT leaded piezoelectric ceramics in the application of some piezoelectric materials. For (1-3x)NBT-2xKBT-xBT ternary lead free piezoelectric ceramics, the optimum sintering temperature is 1140℃, and the optimum doping amount is x=0.04..

Key Words：NBT-KBT-BT; lead-free piezoelectric ceramics; ferroelectric properties; dielectric properties;surface appearance.

目 录

摘 要 I

Abstract II

目 录 III

第1章 绪论 1

1.1 压电材料的概述 1

1.1.1 压电材料及其特点 1

1.1.2 铁电材料及其特点 2

1.1.3 介电材料及其特点 3

1.2无铅压电陶瓷的研究现状 4

1.2.1 Na_0.5Bi_0.5TiO₃基无铅压电陶瓷 4

1.2.2 K_0.5Bi_0.5TiO₃基无铅压电陶瓷 4

1.2.3 BaTiO₃基无铅压电陶瓷 5

1.3 NBT-KBT-BT三元无铅压电陶瓷的研究现状及进展 5

1.4 本研究的目的和意义 6

1.5 本研究的总体思路 7

第2章 样品的制备工艺研究 8

2.1 实验仪器和主要原料 8

2.2 陶瓷样品制备工艺流程 9

2.3陶瓷样品的密度、气孔率分析 11

第3章 陶瓷样品的结构及电性能研究 13

3.1 陶瓷样品的相结构分析 13

3.2 陶瓷样品表面形貌分析 16

3.3 陶瓷样品的介电性能测试 17

3.4 陶瓷样品的铁电性能测试 19

3.5 陶瓷样品的压电性能测试 21

第4章 结论与展望 22

4.1 结论 22

4.2 展望 22

参考文献 24

致 谢 27

第一章 绪论

1.1 压电材料的概述

十九世纪八十年代，J Curie和P Curie两兄弟发现的在石英晶体上首次发现了压电效应（piezoelectric effect）。一些晶体的结构不存在对称中心，这种结构的晶体被称为异极晶体，加在晶体上的外力不仅使晶体发生形变外，还将改变晶体的极化状态，在晶体内部建立电场，我们把这种由于机械力的作用而使介质发生极化的现象称为正压电效应，反之如果把外电场加在晶体上改变其极化状态，晶体的形状也随之改变，我们称之为逆压电效应。以上的正、逆压电效应统称压电效应^[1]。

1.1.1 压电材料及其特点

压电材料的应用范围十分广泛，且压电材料的应用范围还在不断的扩大。主要的应用领域有：电源、信号源、信号转换、发射和接受、信号处理、传感和计测、存储显示以及其他一些非线性元件。具体的应用器件包括：压电变压器、标准信号源、电声换能器器、超声换能器水声换能器、滤波器、放大器、表面波导、加速度计、压力计、红外探测器、位移发生器、角速度计、调制、储存、显示、继电器等。Pb(Ti,Zr)TiO₃(PZT)为基体的含铅陶瓷材料因其温度稳定性好，电学性能优秀等特点被广泛应用^[2]。但由于其在材料的制备过程中会挥发PbO ，会造成陶瓷样品中组分的化学计量比的偏离，对环境产生破换，也会损害制备者的健康。所以研究、开发、应用高性能的无铅压电陶瓷，并不断扩大其应用范围是目前的热点研究课题。

异极晶体指一些无对称中心的晶体用时，在机械应力作用下异极晶体受力的作用产生应变，与此同时，应力还在晶体内部诱发产生介电极化，介电极化又使晶体表面产生电荷密度与外力大小成正比的正、负束缚电荷。图1-1是晶体产生压电效应的过程机理图^[3]。