《毕业论文答辩》PPT课件

本 科 生 毕 业 论 文 （ 设 计 ） 学 院 材 料 学 院 专 业 材 料 物 理 学 生 姓 名 吴 文 娟 指 导 教 师 肖 定 全 教 授 (1-x)(Na0.5K0.5)(Nb0.95Ta0.05)O3-xLiSbO3无 铅 压 电 陶 瓷 的 制 备 、 微 结 构 和 电 学 性 能 研 究 目 录F 摘 要F 第 一 章 绪 论 研 究 背 景 和 意 义 无 铅 压 电 陶 瓷 研 究 现 状 及 发 展 碱 金 属 铌 酸 盐 系 无 铅 压 电 陶 瓷 本 论 文 选 题 及 主 要 依 据 F 第 二 章 实 验 过 程 及 测 试 实 验 准 备 工 艺 过 程 性 能 测 试 原 理 F 第 三 章 结 果 与 讨 论 KNNT-LS的 性 能 F 第 四 章 结 论 摘 要 压 电 陶 瓷 由 于 其 特 殊 的 机 电 性 能 已 被 广 泛 应 用 各 种 领域 。 但 铅 基 压 电 陶 瓷 的 毒 性 很 高 ， 给 人 类 和 生 态 环 境 造 成损 害 。 因 此 ， 开 发 无 铅 压 电 陶 瓷 是 今 后 研 究 的 重 要 课 题 。 目 前 ， 作 为 无 铅 材 料 的 碱 金 属 铌 酸 盐 备 受 关 注 。 第 一 章 绪 论F研 究 背 景 和 意 义 1945年 钙 钛矿 结 构 的BaTiO3陶 瓷的 压 电 效 应 1954年 锆 钛酸 铅 (PZT)压电 陶 瓷 60年 代 PZT基 系 列 陶 瓷 的进 一 步 研 究 ， 及 铌 酸 盐 和钛 酸 盐 为 主 的 无 铅 压 电 陶瓷 材 料 研 究 的 初 步 开 展 80年 代 PZT基 系 列 材 料深 化 研 究 和 应 用 ， 无 铅压 电 陶 瓷 材 料 的 关 注应用压电陶瓷压 电 陶 瓷 发 展 进 程 电 声 信 号 ， 光 信 号 处 理 （ 频 率 器 件 ） ； 发 射 与 接 收 超 声 波 ； 计 测 和 控 制 ； 信 号 发 生 器 （ 电 信 号 和 声 信 号 ） ； 高 压 电 源 发 生 器 F无 铅 压 电 陶 瓷 研 究 现 状 及 发 展无 铅 压 电 陶 瓷 从 成 分 上 划 分 ， 可 分 为 以 下 几 类 ：物 质 优 点 缺 点BaTiO3(BT)基 无 铅压 电 陶 瓷 介 电 常 数 高 ， 机 电 耦 合 系 数 大较 小 的 损 耗 ， 低 污 染 性 压 电 铁 电 性 能 中 等工 作 温 区 较 窄 、 居 里 点 过 低 温 度 稳 定 性 较 差 、 高 温 烧 结 Bi 0.5Na0.5TiO3(BNT)基 无 铅 压 电 陶 瓷 铁 电 性 强 ， 压 电 常 数 大介 电 常 数 小 ， 声 学 性 能 好 ， 烧 结 温 度 低 Qm过 低 、 矫 玩 场 高难 以 极 化 、 化 学 稳 定 性 差铋 层 状 (BLSF)结 构无 铅 压 电 陶 瓷 Tc高 (500 )，介电常数低 (127154)Qm高（20007200）老化特性好，烧结温度低压 电 性 能 太 差（ d33 200 pC/N) 频 率 常 数 大 Qm过 低 （ 目 前 性 能 提 高 较 快 ） 致 密 性 差 (普 通 陶 瓷 烧 结 工 艺 ) 碱 金 属 铌 酸 盐 作 为 一 种 无 铅 压 电 材 料 目 前 备 受 压 电 材料 研 究 领 域 关 注 ， 而 对 碱 金 属 铌 酸 盐 的 研 究 主 要 集 中 在（ K1-xNax） NbO3陶 瓷 性 能 的 研 究 上 。反 铁 电 体 NaNbO3铁 电 体 KNbO 3 F碱 金 属 铌 酸 盐 系 无 铅 压 电 陶 瓷形成 固 溶 体 （ K1-xNax） NbO3钙 钛 矿 结 构 该 系 陶 瓷 居 里 温 度 较 高 ( 160 )， 压 电 性 能 良 好 (d33可 超 过 100pC/N)。 特 别 是 Na/K l 时 ， 即 K0.5Na0.5Nb03， 其 机 电 耦 合 系 数 达 到 峰 值 ， 压 电 性 能 良 好 。 铌 酸 钠 钾 基 无 铅 压 电 陶 瓷 性 能 的 研 究 1.制 备 工 艺 生 产 成 本 较 高 ，材 料 尺 寸 大 小 受到 限 制 。致 密 的 KNN陶 瓷温 度 稳 定 性 改 善材 料 稳 定 性 程 度 不 好 2.添 加 第 二 组 元传 统 烧 结致 密 性 差 等 静 压 热 压Composition Density (g/cm3 ) r Tan(%) Kp Tc ( ) d33 (pc/N) Ec (kv ) Pr (C 2 )KNN 4.0 230 - 0.34 420 80 - -(1-x)KNN-xBaTiO3 4.44 1003 3.8 0.29 358 104 12 7.5(1-x)KNN-xLiTaO3 4.44 570 - 0.36 400 200 13 9(1-x)KNN-xLiNbO3 4.35 - - 0.42 450 235 - -表 1.4 KNN基 二 元 系 无 铅 压 电 陶 瓷 在 准 同 型 相 界 的 压 电 、 介 电 和 铁 电 性 能 3.添 加 烧 结 助 剂 在 铌 酸 钾 钠 陶 瓷 体 系 中 加 入 适 量 的 助 剂 ， 采 用 传 统 工 艺 可 以 得 到性 能 和 稳 定 性 良 好 的 陶 瓷 。 如 ： 0.001% 0.05%的 CuO、 稀 土 金 属 锰 酸 盐 LMnO3（ L为 Y、Er、 Ho、 Yb等 稀 土 元 素 ） 或 少 量 MnO2、 CrO2、 CoO等 氧 化 物 4.离 子 取 代 （ NKN体 系 结 构 ） A位 (Na+,K+ ) 取 代 Li +促 进 了 陶 瓷 的 液 相 烧 结 B 位 (Nb5+) 取 代 Sb5+ Ta5+ 降 低 了 介 电 损 耗 ， 使 介 电常 数 温 度 性 能 得 到 改 善 有 八 面 体 基本 结 构 单 元但 空 间 群 不 同 钙 钛 矿 型 结 构空 间 群 为 Amm2(C2v14)钛 铁 矿 结 构空 间 群 为 R3c(C3v6) Na0.5K0.5NbO3（ KNN） LiSbO3 （ LS）Li+和 Sb5+的 替 位 作 用 使 致密 度 和 压 电 活 性 提 高合 成 了 (1-x)(Na 0.5K0.5)(Nb0.95Ta0.05)O3 xLiSbO3系 无 铅 压 电 陶 瓷 ， 并且 研 究 了 LS含 量 对 (1-x)KNNT-xLS材 料 晶 体 结 构 、 微 观 形 貌 、 介 电 、 压电 和 铁 电 性 能 的 影 响 。 F本 论 文 选 题 及 主 要 依 据 第 二 章 实 验 过 程 及 测 试 F实 验 准 备 实验配方及样品编号(1-x)(Na0.5K0.5)(Nb0.95Ta0.05)O3 xLiSbO3 (x=0、0.01、0.02、0.03、0.04、0.05、0.06、0.07)原料及设备 注 意 ： 碱 金 属 氧 化 物 在 空 气 中 不 能 长 期 稳 定 存 在 ， 如 以 固 相 法 制 备 KNN基压 电 陶 瓷 ， 除 Nb的 前 驱 体 可 以 选 其 氧 化 物 （ Nb 2O5） 外 ， Na、 K前 驱 体 就不 能 选 其 氧 化 物 ， 而 必 须 选 择 其 他 形 式 的 化 合 物 ， 如 Na、 K的 碳 酸 盐 或 者有 机 盐 。 F工 艺 过 程 配 料 混 合 和 球 磨 预 烧 粉 碎 造 粒 成 型 排 胶 烧 结上 电 极极 化 图 2.1 传 统 陶 瓷 制 备 工 艺 流 程 烧 结 条 件以 合 成 (1-x)(Na0.5K0.5)(Nb0.95Ta0.05)O3 xLiSbO3陶 瓷 为 例 说 明 制 备 工 艺 条 件oCo3 /min 6850 850 121C hoC 室 温 o1 C/min 1h 8ho o o3h 3h 2ho o o120 C 120 C 500 C550 C 850 C 850 C 121 室 温预 烧 条 件排 胶 条 件o3 /min 2 / 2-3h1000 121oC C hoC 室 温 烧 结 温 度 烧 结 温 度样 品 0.97KNNT-0.03LS 0.96KNNT-0.04LS 0.95KNNT-0.05LS 0.94KNNT-0.06LS 0.93KNNT-0.07LS烧 结 条 件 1110 3h 1105 3h 1100 3h 1100 3h 1095 3h KNNT-LS各 组 分 陶 瓷 的 烧 结 温 度 及 时 间 F性 能 测 试 原 理 1. X射 线 物 相 分 析 （ XRD） 2. 扫 描 电 镜 （ SEM） 显 微 结 构 分 析 3. 压 电 常 数 4. 机 电 耦 合 系 数 kp和 机 械 品 质 因 素 Qm 5. 介 电 性 能 6. 铁 电 性 能 F(1-x)KNNT-xLS的 性 能 (1-x)KNNT-xLS陶瓷的显微组织结构 KNNT和 LS形 成了 很 好 的 固 溶 体 ，没 有 杂 相 出 现 第 三 章 结 果 与 讨 论 出 现 了四 方 相 正 交 相 四 方 相 准 同 相 界 MPB 0.96KNNT-0.04LS陶 瓷 的 SEM照 片（ 1105 3h烧 结 ） 致 密 度 好 ，晶 粒 尺 寸 为5m左 右 m ax =4.37 g/cm3) LS有 效 地 提 高 了 陶 瓷 的 密 度 (1-x)KNNT-xLS陶瓷的压电性能 d33ma=240pc /N Kpmax=0.43 0.96KNNT-0.04LS陶 瓷 压 电 性 能 相 比 较 好 MPB在 提 高 (1-x)KNNT-xLS陶 瓷 压 电 和 机 电 性 能 方 面 有 重 要 作 用 (1-x)KNNT-xLS陶瓷的介电性能 立 方 四 方 相 变 四 方 正 交 相 变 10 kH z: (a) x = 0; (b) x = 0.04; (c) x=0.07. 由 于 Li+, Ta5+ 和 Sb5+复 合 取 代 A、 B位 离 子 (1-x)KNNT-xLS陶瓷的铁电性能 x=0.04时 Pr 28C 2 Ec11.5 kv 第 四 章 结 论 通 过 对 KNNT陶 瓷 的 样 品 的 A 、 B 位 进 行 复 合 ， 应 用 传 统 的 固 相 反 应法 制 得 了 (1-x)(Na0.5K0.5)(Nb0.95Ta0.05)O3 xLiSbO3无 铅 压 电 陶 瓷 。 XRD分 析 表 明 ， 该 体 系 陶 瓷 形 成 了 好 的 固 溶 体 ， 并 且 没 有 杂 相 生 成 ；陶 瓷 致 密 度 较 好 ； 具 有 较 高 的 压 电 常 数 和 kp; 居 里 温 度 较 高 ； 该 体 系 Pr较 大 ，Ec都 较 小 。 (1-x)KNNT-xLS系 陶 瓷 的 MPB在 0.03x0.05之 间 。 0.96KNNT-0.04LS陶 瓷 的 综 合 性 能 较 好 ： d 33=240pc/N，kp=0.43，Qm=59，Tc=348，Pr28C 2， Ec11.5 kv 。 本 实 验 研 究 中 Li+和 Sb5+的 取 代 ， 促 进 了 陶 瓷 的 液 相 烧 结 ， 使 晶 粒 细 化 ； Sb5+, Ta5+对 Nb5+的 取 代 ， 改 善 其 电 学 性 能 。 该 系 陶 瓷 具 有 低 的 矫 顽 场 强 ，易 于 极 化 ， 压 电 性 能 得 到 较 好 发 挥 。 参 考 文 献 1肖 定 全 ， 王 天 民 .晶 体 物 理 学 M.四 川 ： 四 川 大 学 出 版 社 ， 19892肖 定 全 . 压 电 、 热 释 电 与 铁 电 材 料 A.干 福 熹 主 编 .信 息 材 料 （ 第 十 章 ） C.天 津 ： 天 津 大 学 出 版 社 ， 20003许 煜 寰 .铁 电 与 压 电 材 料 M.北 京 ： 科 学 出 版 社 ， 19784田 中 哲 郎 等 编 ， 陈 俊 彦 ， 王 余 君 .压 电 陶 瓷 材 料 M.北 京 ： 科 学 出 版 社 ， 19825刘 光 聪 .压 电 陶 瓷 材 料 的 新 走 势 .世 界 产 品 与 技 术 ， 2001， 6： 41-436赁 敦 敏 ， 肖 定 全 ， 朱 建 国 ， 余 萍 ， 鄢 洪 建 .无 铅 压 电 陶 瓷 研 究 开 发 进 展 .压 电 与 声 光 ， 2003， 25（ 2） ： 127-1327赁 敦 敏 ， 肖 定 全 ， 朱 建 国 等 .从 发 明 专 利 看 无 铅 压 电 陶 瓷 的 研 究 与 发 展 无 铅 压 电 陶 瓷 20年 发 明 专 利 分 析之 一 .功 能 材 料 ， 2003， 34（ 3） ： 250-2538赁 敦 敏 ， 肖 定 全 ， 朱 建 国 等 .BNT基 无 铅 压 电 陶 瓷 的 研 究 与 进 展 无 铅 压 电 陶 瓷 20年 发 明 专 利 分 析 之 二 .功能 材 料 ， 2003， 34（ 4） ： 368-3709赁 敦 敏 ， 肖 定 全 ， 朱 建 国 等 .铋 层 状 结 构 无 铅 压 电 陶 瓷 的 研 究 与 进 展 无 铅 压 电 陶 瓷 20年 发 明 专 利 分 析 之 三 .功 能 材 料 ， 2003， 34（ 5） ： 491-49510赁 敦 敏 ， 肖 定 全 ， 朱 建 国 等 .铌 酸 盐 系 无 铅 压 电 陶 瓷 的 研 究 与 进 展 无 铅 压 电 陶 瓷 20年 发 明 专 利 分 析 之 四 .功 能 材 料 ， 2003， 34（ 6） ： 615-61811赁 敦 敏 ， 肖 定 全 ， 朱 建 国 等 .LiNbO3基 无 铅 压 电 陶 瓷 的 研 究 与 进 展 .功 能 材 料 ， 2004， 35（ 1） ： 18-2012肖 定 全 .关 于 无 铅 压 电 陶 瓷 及 其 应 用 的 几 个 问 题 .电 子 元 件 与 材 料 ， 2004， 11： 62-6513孟 希 敏 ， 刘 心 宇 ， 周 昌 荣 .无 铅 压 电 陶 瓷 的 研 究 现 状 与 发 展 趋 势 .电 工 材 料 ， 2006， 3： 40-4414Saito Yasuyoshi, Takao Hisaaki, Tani Toshihiko,etc. Lead-free piezoceramics. Nature,2004,432（ 11） ： 84- 87 15Yang Zupei, Chang Yunfei, Liu Bing, Wei Lingling. Effects of composition structure, microstructure and electrical properties of (K0.5Na0.5) NbO3-LiSbO3 ceramics. Mater.Sci.Eng.A 432(2006)292-29816杜 红 亮 ， 李 志 敏 ， 周 万 城 等 .Na0.5K0.5NbO3系 压 电 陶 瓷 的 制 备 技 术 及 其 对 性 能 的 影 响 .无 机 材 料 学 报 ， 2006，21： 1281129117郑 立 梅 ， 王 矜 奉 ， 臧 国 忠 等 .(Na， K， Li)(Nb， Sb)O3无 铅 压 电 陶 瓷 的 性 能 .电 子 元 件 与 材 料 ， 2006,7： 212518朱 建 国 .电 子 陶 瓷 材 料 M.四 川 ： 四 川 大 学 出 版 社 ， 2006， 119Zuo Ruzhong, Fang Xusheng, Ye Chun. Phase structures and electrical properties of new lead-free (Na0.5K0.5) NbO3-(Bi0.5Na0.5) TiO3 ceramics. Appl.Phys.Lett.90, 092904(2007)20臧 国 忠 ， 王 矜 奉 ， 明 保 全 等 。 高 性 能 铌 酸 钾 钠 无 铅 压 电 陶 瓷 研 制 .电 子 元 件 与 材 料 ， 2005,11： 272921Zang Guozhong, Wang Jinfeng, Chen Hongcun,etc. Perovskite ( a0.5K0.5)1-x(LiSb)xNb1-xO3 lead-free plezoceramics. Appl.Phys.Lett.88, 212908(2006)22Yang Zupei， Chang Yunfei， and Wei Lingling. Phase transitional behavior and electrical properties of lead-free (K 0.44Na0.52Li0.04) (Nb0.96-xTaxSb0.04) O3 piezoelectric ceramics. Appl.Phys. Lett.90, 042911(2007)23Ming Baoquan, Wang Jinfeng, Qi Peng, Zang Guo-Zhong. Piezoelectric properties of (Li, Sb, Ta) modified (Na,K) NbO3 lead-free ceramics. J.Appl.Phys.101, 054103(2007)24Du Hongliang, Tang Fusheng, Liu Daijun,etc. The microstructure and ferroelectric properties of (K0.5Na0.5) NbO3-LiNbO3 lead-free piezoelectric ceramics. Mater.Sci.Eng.B(2006) 25 Saito Yasuyoshi. Alkali Metal-containing Niobate-Based Piezoelectric Material Composition and a Method for Producing the Same. United States Patent, Patent No.:US6, 387, 25 B1, May 14,2002. 致 谢 本 论 文 是 在 肖 定 全 教 授 的 精 心 指 导 和 热 心 关 怀 下 完 成 的 。 在 这半 年 的 学 习 中 ， 导 师 渊 博 的 学 识 、 务 实 的 作 风 、 严 谨 的 态 度 ， 尤 其 在学 术 研 究 中 求 实 、 创 新 的 科 学 精 神 深 深 影 响 了 我 ， 使 我 受 益 匪 浅 。 在此 ， 向 我 敬 爱 的 导 师 致 以 最 崇 高 的 敬 意 和 最 诚 挚 的 谢 意 ！ 感 谢 本 课 题 组 的 其 他 老 师 ， 以 及 材 料 学 院 的 乐 夕 老 师 给 予 我 的帮 助 ！ 感 谢 课 题 组 的 吴 家 刚 师 兄 、 张 斌 师 兄 ， 以 及 实 验 室 的 其 他 师 兄师 姐 给 予 我 的 关 心 和 帮 助 ！ 感 谢 我 的 家 人 和 同 寝 室 的 同 学 ， 在 生 活 和 学 习 上 给 予 我 的 支 持和 帮 助 ！