基本信息
- 项目名称：
- BZT-BCT无铅压电陶瓷的制备与性能研究
- 来源：
- 第十二届“挑战杯”省赛作品
- 小类：
- 能源化工
- 大类：
- 自然科学类学术论文
- 简介：
- 压电陶瓷因其压电性以及机电性能的多样性在很多领域有广泛应用。主要应用于航天、医学、地质、气象、家用电器等方面。目前所使用的压电陶瓷材料体系，绝大多数是铅基压电陶瓷体系，氧化铅约占原料总质量的70％ 而氧化铅对生态环境及人类健康有严重危害。所以无铅压电陶瓷是当前压电陶瓷研究领域追求的目标。本研究是采用溶胶-凝胶法制备出高性能的BZT-BCT无铅压电陶瓷，并对其性能进行表征。
- 详细介绍：
- 压电陶瓷因其压电性以及由此引起的机电性能的多样性在很多领域有广泛应用。主要应用于航天、医学、地址、气象、家用电器等方面。目前所使用的压电陶瓷材料体系，绝大多数是铅基压电陶瓷体系，如PbTiO3、Pb(Ti，Zr)O3(PZT)压电陶瓷，氧化铅约占原料总质量的70％，而氧化铅有剧毒并且在烧结过程中有高挥发性，对生态环境及人类造成严重危害。所以无铅压电陶瓷是当前压电陶瓷研究领域追求的目标。 本研究实验过程为：采用溶胶-凝胶法,在(40-80℃)常压下用氢氧化钡，氢氧化钙，钛酸四丁酯,硝酸氧锆,异丙醇，无水乙醇等进行反应,分别制备x=0.3，0.5，0.7,0.9时Ba(Zr0.2Ti0.8)O3-x(Ba0.7Ca0.3)TiO3（BZT-BCT）无铅压电陶瓷,经成型,烧结获得陶瓷样品。通过对其进行XRD分析，介电、压电性能的表征，得到最佳的x值。 经过分析表明，BZT-BCT压电陶瓷为钙钛矿结构，Ca和Zr的掺入并未使BaTiO3产生明显的晶格畸变。溶胶-凝胶制备出的陶瓷粉体杂相较少，电学性能良好。当x=0.7时，其介电、压电性能最好。 通过对BZT-BCT压电陶瓷的制备和性能的研究发现，在陶瓷中掺杂一定量的Zr和Ca，并在适当的温度下烧结，完全可得到优异的压电和介电性能，在某些领域可代替含Pb压电陶瓷，减轻对人体和环境的危害。
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撰写目的和基本思路
- 本论文旨在制备出具有优异性能的BZT-BCT无铅压电陶瓷，进而研发相关产品，以望逐步取代对人体和环境有害的含铅压电陶瓷，真正造福后代。BaTiO3基压电陶瓷压电性能不高，所以需通过Ca、Zr离子的掺杂来改善其性能。结合溶胶-凝胶技术，根据材料的性能要求，合成不同Ca、Zr配比的具有良好压电性的新型无铅陶瓷。根据BZT-BCT陶瓷的XRD分析，及介电、压电性能的表征，总结其电学性能随x值变化的规律。
科学性、先进性及独特之处
- 本文制备出的无铅压电陶瓷BZT-BCT不含铅等有害化学物质，既具有满意的使用性能又具有良好的环境协调性。无铅压电陶瓷BZT-BCT较铌酸钾钠锂无铅压电陶瓷的制备工艺简单，烧结容易，电畴转向相对容易，矫顽场较低，易于极化，较钛酸铋钠压电陶瓷的化学稳定性好。本文采用溶胶-凝胶法制备出的BZT-BCT较固相法制备出的BZT-BCT纯度高，介电、压电性能好。
应用价值和现实意义
- 压电材料是一类重要功能材料。这类材料的王者就是上世纪50年代发现的锆钛酸铅，但其对人体和环境具有严重危害，因此开展无铅压电陶瓷的研究有非常重要的现实意义。以往的无铅压电材料在压电性方面和锆钛酸铅相距甚远，这使得对人体和环境有害的锆钛酸铅无法被替代，而本文通过溶胶-凝胶法制备的BZT-BCT无铅压电陶瓷具有优异的介电、压电性能，因此具有很大的实际应用价值，其制备方法和实验结果具有一定的研究理论价值。
学术论文摘要
- 无铅压电陶瓷是当前压电陶瓷研究领域追求的标,BZT-BCT 无铅压电陶瓷有更多优异的性能,其压电性能有望超越50余年的对人体和环境有很大危害的含铅压电陶瓷，在工业和家电领域将有广阔的前景，相信这项成果可能推进长期以来有害的锆钛酸铅的工业界向无铅压电材料的变革。本文采用溶胶-凝胶方法制备Ba(Zr0.2Ti0.8)O3- x(Ba0.7Ca0.3)TiO3无铅压电陶瓷,其中x=(0.3，0.5，0.7，0.9)。通过研究得出：其压电和介电性能尤以x=0.7 ，预烧温度为1000℃时最好。
获奖情况
- 无
鉴定结果
- 无
参考文献
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同类课题研究水平概述
- 压电材料在信息的检测、转换、处理、显示和存储等方面具有广泛的应用，是一类重要的高技术功能材料。目前所使用的压电铁电陶瓷材料体系，绝大多数是铅基压电陶瓷体系，如PbTiO3 、Pb(Ti，Zr)O3(PZT)压电陶瓷体系，或以PZT为基加入ABO3 复合钙钛矿铁电体作为第三组元构成多元系压电陶瓷体系。在这些陶瓷材料中，氧化铅约占原料总质量的70％，氧化铅的强毒性及其在烧结过程中的高挥发性，使铅基陶瓷在制备、使用及废弃处理的过程中对人类和生态环境造成严重危害，所以对环境友好的无铅压电陶瓷是近几年国内外研究的一个热点。 目前国内外研究出的性能较好的无铅压电陶瓷主要有以下几类:铌酸钾钠锂((K,Na,Li)NbO3)，钛酸铋钠((Bi1/2Na1/2)TiO3)无铅压电陶瓷和BaTiO3基无铅压电陶瓷，由于铌系和铋系两大类无铅压电陶瓷制备难度大,烧结困难,化学稳定性差，电畴转向困难,矫顽场极高,难于极化,机械加工性能差。而改性后的BaTiO3基压电陶瓷压电常数很高，制备较容易，并且容易对其掺杂改性，化学稳定性好，有良好的发展前景。国内西安交通大学采用固相法制备出的BZT-BCT无铅压电陶瓷，其压电、铁电性能较好，但是由于固相法制备出来的粉体杂相较多，影响其性能，在很大程度上限制了其应用。本研究采用的是溶胶凝胶法制备BZT-BCT粉体，因其杂相少，纯度高，有很好的电学性能。 相比于铅基压电陶瓷，无铅压电陶瓷在晶体结构、电子结构以及相变特性等方面具有自身的特点。但是，无铅压电陶瓷在材料体系、电学性能、制备工艺等诸多方面还存在不足，还有一些亟待解决的科学和技术问题。随着科技的发展和社会的进步，我们相信，在不久的将来一定会制备出性能优异的无铅压电陶瓷。
