现今压电陶瓷的应用已经跟人们的生活紧密相连,但是目前全球在使用的压电陶瓷材料依然是传统的铅基压电陶瓷,其中铅含量高达60%以上。氧化铅是一种易挥发的有毒物质,在生产、使用及废弃的过程中,会给人类和自然环境带来不可逆转的伤害。无铅化已成为压电陶瓷的发展趋势。其中锆钛酸钡钙(BCZT)基无铅压电陶瓷由于其优异的压电性能,被寄予能取代含铅压电陶瓷且达到预期效果的无铅压电材料之一。 结合对无铅锆钛酸钡钙的最新研究成果的分析,单纯的无铅锆钛酸钡钙压电陶瓷取代铅基压电陶瓷几无可能。本文采用传统固相合成法,制备了Ba0.99Ca0.01(Ti0.98Zr0.02)O3-PbTiO3(简称B0.99CZT-PT)基微铅压电陶瓷,研究了Yb2O3、Ga2O3、Sr(Cu1/3Ta2/3)O3掺杂B0.99CZT-PT陶瓷的制备工艺及其微观结构,电性能等。主要内容和创新如下: 1、研究了PbTiO3粉体的合成工艺,确定了合适的工艺参数:原料选择活性较大的Pb3O4而非PbO,合成温度为680℃,保温时间为2h。 2、通过系统研究B0.99CZT-PT, B0.85CZT-PT合成和烧结工艺,结合PbTiO3的掺杂量对陶瓷组成、结构以及压电、介电等性能的影响,确定了最佳工艺路线:烧结温度为1265℃,保温时间4~5h,并得到它们的准同相界点。结合本研究目的,选取确定0.9B0.99CZT-0.1PT为下一步研究的微铅压电陶瓷基体。 3、研究了Yb2O3掺杂对0.9B0.99CZT-0.1PT微铅压电陶瓷的相结构与电性能的影响。结果表明,Yb2O3的掺杂能促进陶瓷机体中晶粒的生长,晶粒最大值达到2mm。且在明显提高 0.9B0.99CZT-0.1PT 微铅陶瓷的压电性能的同时,显著降低介电损耗tanδ。该改性陶瓷样品在Yb2O3掺杂量为0.1wt%时达到最优:d33=151pC/N,kp=27%, Qm=152,tanδ=1.2%,εr=904。 4、系统研究了Ga2O3掺杂对0.9B0.99CZT-0.1PT微铅压电陶瓷的相结构与电性能的影响。结果表明,Ga2O3掺杂对陶瓷显微组织结构影响较大,当掺杂量为0.04wt%时,晶粒尺寸大小均匀,无孔洞。Ga2O3的引入使0.9B0.99CZT-0.1PT陶瓷样品的介电损耗从降低到2.1%;但居里温度Tc从167℃下降到了140℃。当掺杂量为0.04wt%时,陶瓷样品获得最佳压电性能:d33=138pC/N,kp=21%,Qm=90,tanδ=2.1%,εr=1212。 5、研究了钙钛矿结构化合物SCT掺杂对0.9B0.99CZT-0.1PT微铅压电陶瓷的相结构与电性能的影响。结果表明,SCT是一种复合添加物,它既有CuO的性能,又有Ta2O5的作用,发现SCT的掺杂能够大幅促进0.9B0.99CZT-0.1PT陶瓷的烧结,能将烧结温度降到1260℃,其居里温度为160℃。当掺杂量为0.35wt%时,陶瓷样品获得最佳压电性能:d33=146pC/N,kp=24%,Qm=48,tanδ=1.8%,εr=1912。