热压烧结对BiYbO3-BaTiO3高温压电材料组织与性能的影响

1、PAGE 重庆科技学院毕业设计(论文) 题 目热压烧结对BiYbO3-BaTiO3高温压电材料 组织与性能的影响 学 院 冶金与材料工程学院 专业班级 金材普2010-02 学生姓名 戚滔 学号 2010440547 指导教师 陈刚 职称 讲师 评阅教师 职称 2014年 6 月 4 日重庆科技学院本科生毕业设计 摘要PAGE II摘 要本次试验采用传统的固相法制粉，选用分析纯度的氧化镱（Yb2O3）、氧化铋（Bi2O3）、二氧化钛（TiO2）和碳酸钡（BaCO3）做原料，酒精做球磨时的溶剂，相同掺杂量的情况下不同预烧温度对粉体的结晶的影响，找到合适的预烧温度和保温时间。然后寻找在掺杂量、预烧

2、温度都相同的情况下不同烧结温度对陶瓷材料的物象和组织表征的影响，从而得到合适的烧结温度。最后探讨预烧温度和预烧保温时间、烧结温度和烧结保温时间相同而掺杂量不同的情况下对对陶瓷材料的物像、组织表征和电学性能（介电、铁电、压电）的影响。关键词：固相法 镱酸铋陶瓷 物象 组织表征 电性能重庆科技学院本科生毕业设计 ABSTRACTABSTRACT The test uses a conventional solid phase method powder，Analyzed for purity ytterbium oxide selected (Yb2O3), bismuth oxide (Bi2O

3、3), titanium oxide (TiO2) and barium carbonate (BaCO3) as a raw material，When do the milling alcohol solvent，The same effect of different calcining temperature of crystallization of the powder in the case of doping，Find a suitable calcining temperature and time。Then look for the effects of different

4、 sintering temperature on the images and tissue characterization of ceramic materials in the case of doping, burn temperatures are the same，To obtain suitable sintering temperature。Finally, we discuss burn temperature and burn-holding time, the same sintering temperature and holding time and the amo

5、unt of doping under different circumstances for things like ceramic material, tissue characterization and electrical properties (dielectric, ferroelectric, piezoelectric) of influence。Keywords: Solid-phase method；Ytterbium bismuth ceramics；Images；Tissue characterization；Electrical properties重庆科技学院本科

6、生毕业设计 目录目 录TOC o 1-2 h u HYPERLINK l _Toc295817882 摘 要 PAGEREF _Toc295817882 h I HYPERLINK l _Toc295817883 ABSTRACT PAGEREF _Toc295817883 h II HYPERLINK l _Toc295817884 1 绪 论 PAGEREF _Toc295817884 h 1 HYPERLINK l _Toc295817885 1.1引言 PAGEREF _Toc295817885 h 1 HYPERLINK l _Toc295817886 1.2压电陶瓷材料的发展 PA

7、GEREF _Toc295817886 h 1 HYPERLINK l _Toc295817887 1.3固相法制粉2 HYPERLINK l _Toc295817890 1.4烧结对陶瓷性能的影响3 HYPERLINK l _Toc295817891 HYPERLINK l _Toc295817892 2 实验过程及研究方法5 HYPERLINK l _Toc295817893 2.1实验目的5 HYPERLINK l _Toc295817894 2.2实验化学试剂5 HYPERLINK l _Toc295817898 2.3实验设备5 HYPERLINK l _Toc295817901 2

8、.4试验样品的制备6 HYPERLINK l _Toc295817902 2.4.1实验工艺流程图6 HYPERLINK l _Toc295817903 2.4.2试验样品制备方案6 HYPERLINK l _Toc295817905 2.5样品的测试8 HYPERLINK l _Toc295817906 3 实验结果与分析10 HYPERLINK l _Toc295817907 3.1粉体粒度分析10 HYPERLINK l _Toc295817910 3.2预烧对粉体结构形貌的影响 PAGEREF _Toc295817910 h 11 HYPERLINK l _Toc295817911 3

9、.3烧结对陶瓷结构形貌的影响 PAGEREF _Toc295817911 h 11 HYPERLINK l _Toc295817912 3.4相同烧结温度下不同掺杂量对陶瓷结构形貌的影响13 HYPERLINK l _Toc295817913 3.5不同烧结温度不同掺杂量对陶瓷密度的影响14 HYPERLINK l _Toc295817913 3.6介电性能 PAGEREF _Toc295817913 h 15 HYPERLINK l _Toc295817914 4 实验结论与展望17 HYPERLINK l _Toc295817915 4.1实验结论17 HYPERLINK l _Toc29

10、5817916 4.2展望17 HYPERLINK l _Toc295817917 参考文献18 HYPERLINK l _Toc295817918 致 谢20重庆科技学院本科生毕业设计 1 绪论 PAGE 221 绪 论1.1引言 目前研究比较较多的高温压电材料体系主要包括：钙钛矿结构体系、钨青铜结构体系、铋层结构体系和碱金属铌酸盐体系四大类。（1）钙钛矿结构体系：具有钙钛矿结构的锆钛酸铅PZT陶瓷具有优良的压电、介电和光电等电学性能，在1954年由Jaffe等9最早实验成功，PZT压电陶瓷因其具有非常良好的介电、压电和光电等电学性能，因而被广泛的在电子信息领域运用，通常用作制备一些传感器、

11、换能器、存储器等各种电子元器件。因此，PZT以及PZT二元和三元陶瓷体系成为目前最成熟的商业化程度最高的压电材料。13但是PZT体系陶瓷自身也有致命的缺陷，那就是的居里温度太低了只有不到330摄氏度，不能烧高温这便极大的限制了PZT在高温领域的应用。（2）钨青铜结构体系：钨青铜体系的化学通式为A6B10O30，人类最早发现的钨青铜结构铁电梯是偏铌酸铅（PbNb2O6），17 PbNb2O6有一个最为突出特点就是压电效应各向异性大，机械品质因素也非常低，虽然有缺点但是却可以在高温超声换能器件的制造中实现自身的价值。（3）铋层结构体系：自1949年Aurivillius发现铋层结构化合物以来，因其

12、奇特的晶体结构和高的相变温度引起了人们的高度兴趣广泛关注。人们所研究的铋层状压电陶瓷材料通常都具有烧结温度、介电常数和老化率较低的优点，以及优异的绝缘电阻和耐压性能，更有非常高的相变温度和机电耦合系数明显等一系列独特的优点，这些优点使得铋层结构体系高温压电材料在高温、高频场合做压电材料使用非常合适。1 （4）碱金属铌酸盐体系：碱金属铌酸盐的化学式为ANbO3，铌酸锂（LiNbO3）是碱金属铌酸盐体系中最具代表性同时也是应用最为广泛碱金属铌酸盐2。现今已知的铁电晶体中相变温度最高的和自发极化最大的是铌酸锂，它是一种畸变的钙钛矿结构化合物。铌酸锂同样也有个致命的弱点便是晶体成本昂贵，而且铌酸锂陶瓷

13、制备也是非常的困难，所以在压电领域不能经常看见使用。以上四大体系的高温压电材料是目前研究最多的高温压电材料，虽然对这几种体系的高温压电材料进行了大量的研究与开发工作，但总体上讲，作为无铅压电陶瓷与铅基压电陶瓷的研究发展相比，在发展上还存在较大的差距，要想获得与铅基压电陶瓷性能相近的无铅体系压电陶瓷，还需要进行大量深入的研究工作，我们还有很长的路要走。1.2压电陶瓷材料的发展通常我们所说的压电材料就是在受到压力作用的情况下会在材料的两端面间出现电压现像的晶体材料我们称之为压电材料。压电效应现象最早是由 HYPERLINK /view/64741.htm t _blank 法国得物理学家P. HY

14、PERLINK /view/26477.htm t _blank 居里和J.居里兄弟在1880年发现的，发现当在石英晶体上放上重物的时候，晶体某些表面会产生电荷，并且电荷量随压力的增加而变大。后来人们便将这一现象叫做 HYPERLINK /view/249682.htm t _blank 压电效应。随即，居里兄弟还发现了逆压电效应，即给压电体施加一个外电场作用的时候压电体会产生形变。压电效应的机理是：当压电晶体材料受到外力作用时发生形变，因为压电材料的对称性很低，所以石英晶胞中的正负电荷中心就不会重合而发生相对位移，从而会导致晶体发生宏观极化。又因为压电晶体材料表面的电荷密度和极化强度在表面法

15、向上的投影相等，故而当压电晶体材料受到压力作用产生形变时在压电晶体材料的两端面就会出现异号电荷。反言之，当压电晶体材料在电场的作用下凡是极化就会因晶胞中的正负电荷中心发生相对位移而导致材料发生变形。今天的压电材料发展得极为迅速，在各种电子器件中都得到了广泛的运用，并且在诸如卫星传输、电子元件、生物工程以及航空航天工程等众多高新技术领域也都有着重要的地位。目前出现的压电材料大致可分为以下几种：压电陶瓷、压电晶体、压电复合材料、压电高聚物等。现在压电材料又在智能结构 q(也称为灵敏结构)的领域广泛地应用，科技工作者们在开发下一代具有高性能的机械、航空器和航天器的研究中也投入了越来越多的注意力。可以

16、毫不夸张地说，压电材料的开发应用已经遍及了当今社会日常生活中的每个角落，人们几乎随时随地都有可能接触到压电材料的生产或应用。在传统的压电陶瓷材料生产过程中,压电陶瓷材料通常都含有较高的氧化铅,因为含铅的陶瓷的烧结温度会更低，这样可以减少能耗，降低生产成本，但是氧化铅却是一种在高温环境下极易产生挥发毒的物质发，会给人的健康和环境都造成了众多的危害，使得这种类铅基压电陶瓷材料在制备、使用及后续废弃处理过程中都会给人类生活带来极大破坏和影响。而在当今社会人们已经对环境保护和人类社会可持续发展的认识越来越深刻，因而发展能与环境相协调且无污染的无铅高温压电陶瓷材料及技术就成为了陶瓷材料发展的新趋势，这便

17、大大制约了传统陶瓷的发展。但是科学的进步是没有尽头的，人们并不会在这点困难面前驻足，随着科技发展的进步，作为传统铅基压电材料在某些方面的替代品，无铅高温压电材料正以其具有高的居里温度、低的损耗角正切值、高的压电性能、能在高温区( 400 )使这些材料并且无毒无危害等众多优异性能成为高温压电器件的优选材料。1.3固相法制粉固相法制粉通常分为球磨法、热分解法和固相反应法，而球磨法是这些方法中最基本的方法，球磨出来的粉体粒径在数微米左右，粒度分布很宽但粒子不规则。通常固相法制粉都用球磨的方式，靠高速转动的球磨机带动尼龙灌快速转动，尼龙灌里的球也会在尼龙灌里快速的旋转震荡，会产生剪切、冲击、摩擦，为药

18、品的粉碎混合提供一个外力。做尼龙灌的材料一般是选用聚四氟乙烯或聚氨酯、瓷等材料，做球就用不锈钢材料或者在不锈钢的外面包裹一层聚氨酯材料。选择做容器和球的材料必须遵循一个重要原则就是耐磨且要不污染试剂的。球磨时粉体和球占的体积不能超过整个容器体积的34，球的大小比例根据是干磨还是湿磨而有所不同。球磨法有个最大的优点就是操作简单且方便快捷还行之有效的方法，虽然有众多优点但自身独特的缺陷也不容忽视，尼龙灌中存在死角，球磨结束后取试剂不能取尽，有粉体留在死角，这就造成了粉体的损耗；也正因为这个死角留下了试剂，在以后的使用过程中就会影响后面制备粉体的纯度，可能会使粉体受到污染。本次实验就是采用球磨的方法

19、制备BiYbO3-BaTiO3粉体, 把金属盐或金属氧化物按配方称量好后倒入尼龙灌充分混合，利用球磨机的转动或振动。使硬球对原料进行强烈撞击、研磨和搅拌，球研磨后再进行预烧发生固相反应后，再进行第二次球磨后便能得到结晶的超细粉。相较于其他制备陶瓷粉体的方法，固相法以其独有的制作简单，成本低廉，成熟的工艺等优点使得固相法的运用更为广泛，迄今为止其依然是制粉最常用的方法。固相法虽然有众多的优点但也要面对有其固有的缺点，例如能耗过大，粉体不够细腻，且容易污染出现杂相等。但或许也正是因为有这样的不足，研究用固相法制备高性能的压电陶瓷材料才变得更有意义。作为一种传统的制粉方法，固相法制备BiYbO3-B

20、aTiO3粉体就是用含有 Bi、Yb、Ba、Ti等金属元素的氧化物或者是其酸性盐混合在一起放入球磨机球磨均匀，然后放置高温环境中进行高温固相反应来制备BiYbO3-BaTiO3粉体的方法。该方法所用的原料有氧化镱（Yb2O3）、氧化铋（Bi2O3）、二氧化钛（TiO2）和碳酸钡（BaCO3），该过程的化学反应式为：Yb2O3+ Bi2O32BiYbO3，BaCO3+TiO2BaTiO3+CO2。本实验通过研究掌握固相法制粉的工艺流程及制粉的特点,探寻固相法制备的粉体对热压烧结的影响。1.4热压烧结对陶瓷的影响烧结工艺是指根据原料特性所选择的加工程程序和烧结工艺制度，它对烧结生产的产量和质量有着

21、直接而重要的影响。烧结的方法通常有：(1)热压烧结: 将制好的干燥粉体倒入石墨模具内，设定好烧结的程序后，热压烧结炉自下而上的像粉体施加加压同时烧结炉提供烧结所需的温度，是一种使粉体能够成型和烧结同时完成的一种烧结方法。热压烧结由于加热和加压是同时进行的，所以此时的粉体还处于热塑性的状态下，那么成型所需的压力便会远低于冷压，并且因为加压了所以在烧结时能大大降低烧结所需的温度，缩短烧结所需的时间，从而能很好的抑制晶粒异常的长大，得到晶粒细小、致密度高和机械、电学性能良好的产品。还有优点就是无需添加烧结助剂或成型助剂，这对提高陶瓷产品的纯度也是大有帮助的。但是热压烧结也有着诸如过程及设备比较复杂，

22、生产控制要求严格，模具材料质量要求高，能源消耗很大，生产效率较低，生产成本高等一系列不可调和的缺点；（2）反应烧结：反应烧结又称作活化烧结，是指可以降低烧结活化能，从而使体系的烧结可以在较低的温度下以较快速度进行，并且使得烧结粉体性能提高的烧结方法。通常将能够增加烧结速率，或强化烧结体性能的所有烧结过程都称之为反应烧结；（3）气氛烧结：就是在烧制陶瓷粉体时往烧结炉的炉膛内通入一定量的气体的烧结方法叫做气氛烧结。根据陶瓷材料性能的不同选择的气体也不尽相同，选择合适正确的气氛进行烧结则有助于烧结过程，提高样品的 HYPERLINK /view/6969037.htm t _blank 致密化程度、

23、获得更好的性能的制品。通常气氛烧结的气体有 HYPERLINK /view/85005.htm t _blank 真空、 HYPERLINK /view/34554.htm t _blank 氢气、 HYPERLINK /view/13797.htm t _blank 氧气、 HYPERLINK /view/24009.htm t _blank 氮气和 HYPERLINK /view/101737.htm t _blank 惰性气体（如 HYPERLINK /view/39145.htm t _blank 氩气）等各种 HYPERLINK /view/203869.htm t _blank 气

24、氛。例如要想制作 HYPERLINK /view/2313288.htm t _blank 透明氧化铝陶瓷就必须在氢气环境下烧结，而想制作 HYPERLINK /view/2308601.htm t _blank 透明铁电陶瓷最好选在氧气环境下烧结。有时也会选择惰性气体作为保护气体使用；（4）液相烧结：即至少具有两种组分的粉末或压坯在形成一种液相的状态下烧结。烧结的方法有很多且每种烧结都有着独特的优点，本次试验选用的是普通烧结。将用固相法制备好的BiYbO3-BaTiO3粉体称取质量后加入适当量的石蜡进行参胶压片成型，然后进行胶，因为本次烧结是无压烧结，属于在大气条件下胚体自由烧结的过程，将粉

25、体加热到其中基本成分熔点的0.5-0.8即可，保温一定时间后调节箱式炉温度使之冷却到室温的过程。烧结的结果是使原本松散的BiYbO3-BaTiO3粉末的颗粒之间发生粘结，胚体面积会减小、气孔率降低、致密度提高、因为在高温下烧结晶粒长大使得颗粒间的接触面积也加大、并且烧结体的机械强度也增加了，把粉末颗粒的聚集体变成为晶粒的聚结体，从而获得所需的物理性能、机械性能的陶瓷材料的过程。（1）低温排胶阶段 在此阶段主要发生金属的回复及在箱式炉内吸附气体和水分的挥发，胚体内成形剂（石蜡）的分解和排除等。（2）中温升温预烧阶段 此阶段开始出现再结晶，在颗粒内，变形的晶粒得以恢复，改组为新晶粒，同时表面的氧化

26、物被还原，颗粒界面形成烧结颈。 （3）高温保温完成烧结阶段 此阶段中的扩散和流动充分的进行和接近完成，形成大量闭孔，并继续缩小，使孔隙尺寸和孔隙总数有所减少，烧结体密度明显增强。烧结会产生一系列现象，在宏观上：体积收缩、致密度增强、强度增加；在微观上：气孔形状改变、晶体长大、成分变化（掺杂元素）。重庆科技学院本科生毕业设计 2 实验过程及研究方法2 实验过程及研究方法2.1实验目的材料是作为制造一切有用物品的必须物质，历史的发展告诉我们材料是社会文明进步的物质基础和先导，在人类文明发展史上树立了一个又一个重要的里程碑。社会发展到今天，人们把材料、信息、 HYPERLINK /view/2131

27、2.htm t _blank 能源作为现代文明的三大支柱产业，而新材料技术更是成为三大 HYPERLINK /view/215191.htm t _blank 高新技术之一，这便足见其重要的历史地位。随着当代新材料的发展和对传统材料的要求的提高，材料制备工程的成材技术已成为实现高性能材料应用的基础。随着社会和科技进步，人们对材料的要求也越来越高，不仅需要材料具有优异的性能还要与生态环境相协调。在实验中研究和解决 HYPERLINK /view/3587984.htm t _blank 传统材料的缺陷，不断发现传统材料的潜在优势，这将成为实验的重点。通过本次实验掌握固相法制粉的工艺流程，了解固相

28、法制粉的优点，改善或者避免方法的缺陷，记录制粉过程中的各项实验数据，分析了解固相法制粉的特点。其次掌握烧结陶瓷材料的方法，熟悉高温烧结工艺，掌握正确的操作规程，记录在实验当中不同的烧结温度，烧结保温时间,通过不同参数的对比分析得到烧结对高温压电材料性能的影响改进优化烧结工艺流程。最后对做出的试样进行物象、性能、组织表征等进行测量分析。2.2实验化学试剂药品名名称化学式厂家纯度氧化镱Yb2O3西亚试剂99.99氧化铋Bi2O3成都市科龙化工试剂99.0二氧化钛TiO2成都市科龙化工试剂98.0碳酸钡BaCO3成都市科龙化工试剂99.02.3实验设备名称型号厂家X-射线衍射仪DX-2700型丹东方

29、圆仪器有限公司扫描电子显微镜S-3700N型日本株式会社日立高新技术激光粒度分析仪JL-1177型成都精新粉体测试设备有限公司LCR仪E4980A型安捷伦公司铁电分析仪TF Analyzer 2000德国aix ACCT公司箱式炉KBF170O型重庆温克科贸有限公司电子分析天平FA2004B型上海越平科学仪器有限公司微型实验球磨机TEL400-040-1288型长沙天创粉末技术有限公司手动粉末压片机YLJ-12型合肥科晶材料技术有限公司电热恒温真空干燥箱DZF-1B型上海跃进医疗器械有限公司2.4实验样品的制备2.4.1实验工艺流程图2.4.2样品制备方案选用分析纯度的氧化镱（Yb2O3）、氧

30、化铋（Bi2O3）、二氧化钛（TiO2）和碳酸钡（BaCO3）做原料，酒精做溶剂利用固相法制备BiYbO3-BaTiO3粉体。实验步骤：配方： 试剂名称化学式摩尔质量纯度称取质量(g)X=0X=0.03X=0.07X=0.1氧化镱Yb2O339499.998.3628.3628.0177.358氧化铋Bi2O346699.06.6666.6666.3916.192氧化钛TiO279.8798.000.0850.1930.285碳酸钡BaCO319799.000.2080.4860.694（2）一次球磨打开球磨机向尼龙灌中加入去离子水先空磨1h,结束后倒出去离子水再用酒精将尼龙灌清洗干净，然后将

31、称量好的氧化镱（Yb2O3）、氧化铋（Bi2O3）、二氧化钛（TiO2）和碳酸钡（BaCO3）药品倒入尼龙罐中，并加入酒精做溶剂，酒精填充至尼龙罐的23处停止。（3）安装将装好药品的尼龙罐放入球磨机，用把手将尼龙灌安装牢固，防止转动的时候尼龙灌脱落损坏实验设备。（4）设定程序根据实验要求设定转速和时间，设置球磨机的转速为400rmin，转动时间是十二小时。（5）取样干燥待球磨机转动结束后取出尼龙灌，用滤网分离取出溶液，用酒精反复涮洗尼龙灌中的粉体，尽量减少粉体的损耗。然后将得到的溶液倒入烧杯放到干燥箱烘干，设定干燥箱温度在80 左右；（6）预烧待粉体烘干后取出粉体放入玛瑙钵内反复碾压均后装进坩

32、埚，放入箱式炉中进行预烧。预烧温度由室温经过一小时升至200 ，保温一小时；然后用两小时由200 升至600保温两小时；再用两小时升温到880 ，保温四个小时；最后用十个小时降温到室温。（8）二次球磨预烧结束后从坩埚取出粉体放入玛瑙钵研磨细腻，再将粉体装进尼龙罐中加入酒精做溶剂然后放入球磨机中进行球磨。设定程序，球磨机的转速为400rmin，时间为12h；(9)干燥粉体待球磨结束后取出尼龙罐，用滤网分离取出溶液，继续用酒精反复清洗，待粉体清洗完全后将溶液倒入烧杯中并放到干燥箱烘干，温度设在80 。待粉体烘干后便得到BiYbO3-BaTiO3粉体。（10）参胶将烘干的粉体取出碾压均匀后称取质量，

33、然后根据粉体质量参入6%的液体石蜡进行造粒，将参有石蜡的粉体搅拌均匀放入烘箱10分钟，石蜡预热会溶解。如此反复三次，让石蜡能与BiYbO3-BaTiO3粉体充分的混合。（11）压片成型我们称取5.5克参入石蜡的粉体加入磨具中采用不同压力（8 Mpa、10 Mpa、12 Mpa、14 Mpa、16 Mpa、18 Mpa）,不同压力保持时间（30s、60s、90s、120s、150s、180s、对各种粉体进行压片，实验结果表明压力在12 Mpa，保压时间在120s粉体最易成型，压力过小保压时间过短会因压力不够使得粉体松散，若压力过大保压时间过长样品也会产生裂纹、破裂。找出最佳压力和保压时间过后压制

34、多片试样，每次压片结束用酒精洗净磨具。（12）排胶将压好的片放入箱式炉中排胶，先由室温一小时升温到100保温三小时，再用十小时由100升温到500保温五小时，再用四小时降到室温排胶干净。（13）烧结将排胶结束的片放入底部铺满氧化铋（Bi2O3）的坩埚中，表面再撒上一些氧化铋（Bi2O3）粉体放入箱式炉进行埋粉烧结。烧结温度由室温经过一小时升至200 ，保温一小时；然后用三小时由200 升至700保温一个小时；再用三小时升温到1150 ，保温两个小时；最后用八个小时降温到室温，烧结结束后便能得到BiYbO3-BaTiO3陶瓷片。（14）烧银 将一部分磨平清洗烘干的陶瓷片用画笔蘸取银电极浆料均匀涂

35、覆与陶瓷样品两面，干燥。将被好银电极的样品放于电炉中，升至350保温1h，再升至500保温1h，然后800下保温20min。（15）物相检测通过对材料进行 HYPERLINK /search?word=X%E5%B0%84%E7%BA%BF%E8%A1%8D%E5%B0%84&fr=qb_search_exp&ie=utf8 t _blank X射线衍射，分析其 HYPERLINK /search?word=%E8%A1%8D%E5%B0%84&fr=qb_search_exp&ie=utf8 t _blank 衍射图谱，获得材料的成分、材料内部原子或分子的结构或形态等信息。（16）表面形貌检

36、测利用扫描电子显微镜（SEM）用来观察标本的表面形貌，对材料的试样进行表面的形貌观察和记录(粒度分析、金相组织观察、断口分析等)。（17）电性能检测进行电性能测试（介电（LCR仪）、铁电（铁电分析仪）、压电（准静态d33测试仪和LCR仪）。2.5样品的测试（1）将制得的BiYbO3-BaTiO3粉体少许放入激光粒度分布测试仪中，进行粒度测试分析；（2）将制得的BiYbO3-BaTiO3粉体通过XRD进行X射线衍射分析，测试粉体的相结构，扫描的步长为0.05，测量范围在20 80 ，用MDI Jade 5.0软件对衍射图谱进行物相分析，晶格常数计算。（3）扫描电镜 (SEM)是目前观察研究材料形

37、貌的最直接的手段之一，因为它提供了清晰且直观的形貌图像，同时又具有分辨高，观察景深长等优点。样品表面喷金后，采用扫描电镜对样品表面观察，可以观察到陶瓷的致密度、晶粒晶界的形状。本研究采用日立公司S-3700N型扫描电镜观察陶瓷样品的颗粒尺寸及表面形貌，并放大至100倍、500倍、1000倍进行拍照。（4）采用安捷伦公司生产的E4980A型LCR仪，测量样品在室温不同频率下的介电的电容和损耗，测试频率由100Hz-0.2MHz。将测得的电容值按式（2-5）换算成相对介电常数，就能得到不同频率下的介电常数与介电损耗的关系曲线。 （2-5）式中，C为试样电容量（pF），h为试样的厚度（cm），D为试

38、样直径（cm）。（5）用美国铁电材料分析仪测试测试BiYbO3-BaTiO3陶瓷材和LCR仪测试压电。料样品的电磁回线（P-E）。（6）通过铁电分析仪测试和分析压电材料的电滞回线、记忆特性、单脉冲、漏电流、电容-电压特性等一系列性能，进而分析测量出压电材料的综合性能。（7）利用排水法测试本陶瓷样品的密度，在电子天平上放上烧杯，烧杯里装上纯净水，在烧杯旁边有一个支架，先将样品放在支架上称取样品质量为m1，然后将样品放入支架下悬挂的篮子里让其完全被水淹没，此时的质量为2，造成前后重力差的原因是因为水的浮力，知道了水提高的浮力也就可以知道水的体积，那么样品的体积也就知道了，知道体积和密度便能算出样品

39、的密度。重庆科技学院本科生毕业设计 3 实验结果与分析3 实验结果与分析3.1粉体粒度分析图1是通过对不同于参量的（1-x）BiYbO3-xBaTiO3粉体进行激光粒度分析得到的图谱。由图可见，预计参量x依次是0.1、0.15、0.2,而对应的粉体颗粒群的大小为22.400um,17.543um,13.246um。而该颗粒群中大小颗粒差异程度(d90-d10)d50)依次是1.518,1.453,1.737。平均粒径依次是25.734um,19.964um,15.825um。说明颗粒群的大小和平均粒径都和掺杂量有着密切关系，随掺杂物的增加而减小，这主要是因为掺杂量增加后会出现更多的铋空位补偿，

40、铋空位的产生就会造成氧空位浓度的下降，氧空位浓度下降就会使得让晶粒长大的主扩散机制变弱，那么晶粒的生长速度就会被抑制，所以在预烧温度和烧结温度都相同的情况下晶粒尺寸就会随掺杂量的增加而减小，平均粒径也自然减小。然而粉体颗粒群内颗粒的数量并没有太多的变化，既然平均的粒径已经根据掺杂量的增加而减少了，那么整个颗粒群的大小也会变小。每组粉体虽然掺杂量不尽相同，但是各自组内粉体的晶粒都是在同时生长或被同时抑制生长的，所以颗粒群中颗粒的差异程度并不会有太多的变化。图1 不同掺杂浓度下BiYbO3-BaTiO3粉体粒度大小Fig.1 Different doping concentrations BiYb

41、O3-BaTiO3 powder particle size 3.2预烧对粉体结构形貌的影响图2是利用固相法经过一次球磨后的相同参量的试剂取出烘干后分别960、1000和1040下预烧保温4h制得的BiYbO3-BaTiO3粉体的XRD图谱。由图谱我们可以发现，样品的结构是立方钙钛矿结构，在28的时候出现了BiYbO3，BiYbO3与PDF(50-0913)卡片进行比对发现除了整体有向左边轻微移动和细小差异外基本上吻合，BaTiO3与PDF（31-0174）卡片进行比对相吻合，故而应该是立方晶系。通过Jade拟合得到所测三个温度的晶格参数都相同，BiYbO3的晶格参数是 a=b=c=5.450

42、nm, BaTiO3的晶格参数是a=b=c=4.031 nm。从图2我们也可以看出，在960、1000和1040下预烧的粉体中随着温度的升高衍射峰变得越来越多峰值也变得越来越高，只有在960的情况下衍射峰最少也最小，说明操作的预烧温度比原本最合理的预烧温度更大，然而预烧粉体温度过高后就会影响陶瓷粉体原本已经生产的纯晶像的晶体物质，使原本已经排列完好的原子（或离子）打乱，出现了新的晶体物质。所以通过这个预烧实验我们可以找到合理的预烧温度应该是在900左右。图2不同反应温度下BiYbO3-BaTiO3粉体图谱Fig.2 Different reaction temperatures BiYbO3-

43、BaTiO3 powder XRD pattern3.3烧结对陶瓷结构形貌的影响烧结陶瓷是一个使陶瓷致密化的过程，在高温下， HYPERLINK /search?word=%E6%99%B6%E7%B2%92%E9%95%BF%E5%A4%A7&fr=qb_search_exp&ie=utf8 t _blank 晶粒长大，空隙( HYPERLINK /search?word=%E6%B0%94%E5%AD%94&fr=qb_search_exp&ie=utf8 t _blank 气孔)变小变少， HYPERLINK /search?word=%E6%99%B6%E7%95%8C&fr=qb_s

44、earch_exp&ie=utf8 t _blank 晶界也渐趋减少，通过传递物质，陶瓷胚体的总体积会出现收缩，密度更会大大增加，最后成为具有一种 HYPERLINK /search?word=%E6%98%BE%E5%BE%AE%E7%BB%93%E6%9E%84&fr=qb_search_exp&ie=utf8 t _blank 显微结构的致密多晶 HYPERLINK /search?word=%E7%83%A7%E7%BB%93&fr=qb_search_exp&ie=utf8 t _blank 烧结体，这个过程我们称之为烧结，那么在这个过程中选择合适的烧结温度便是重中之重，合理的烧结温

45、度不但可以减少能耗还可以烧出性能更好的陶瓷。图3是分别在1120、1150和1180的温度下烧结2h后的BiYbO3-BaTiO3陶瓷的图从图3可以看出，在图2里出现的一些衍射峰已经消失了，在这样的高温下前面产生的杂相绝大部分已经被分解掉了。随着温度升高，BiYbO3-BaTiO3陶瓷晶体的波峰峰值在减少，这应该是由于温度过高造成晶粒异常的长大、引起波峰变低。图3不同烧结温度下BiYbO3-BaTiO3粉体图谱Fig.3 Under different sintering temperatures BiYbO3-BaTiO3 powder XRD pattern图4 （c）给出了相同预烧温度下

46、不同烧结温度下BiYbO3-BaTiO3样品分别在1120、1150和1180下烧结的断面扫描电镜如图所示，每一排是相同的样品放大依次放大到100倍、500倍、1000倍观察不同倍数的图像，比较在不同烧结温度对陶瓷材料的组织、形貌的影响，烧结温度偏低时烧结体的孔隙较多，密度也比较低。随着烧结温度的增加，试样晶体会变得更加紧密，并且我们发现，当烧结温度升高时晶粒尺寸也变得非常的大，也正是因为晶粒尺寸的变化从而导致了试样晶体变得更加紧密，但是如果烧结温度过高的话就会使得晶粒变得异常长大，这样不仅不会使样品结构紧密、增强密度，反而会变得松散，密度也会很低。图4a到图4c可以看出在预烧温度相同的情况下

47、，不同烧结温度的试样内部出现了大量的气孔，这是因为在高温下烧结的时候晶粒异常的长大便留下了大量孔洞，而温度再高试样的内部气孔反而减少且变小了是因为在温度过高的时候晶粒长大了，晶粒之间的间隙变小了。并且还发现试样表面出现了熔融的现象，保温一段时间后这也会使得孔洞的大小便会变小数量也减少。由此我们可以知道，合适的烧结温度是在1120左右。 图4a温度在1120下BiYbO3-BaTiO3陶瓷样品的断面扫描电镜图Fig 4a sintering temperature at 1120 sectional scanning electron micrographs BiYbO3-BaTiO3 cera

48、mic samples 图4b烧结温度在1150下BiYbO3-BaTiO3陶瓷样品的断面扫描电镜图Fig. 4a sintering temperature at 1150 sectional scanning electron micrographs BiYbO3-BaTiO3 ceramic samples 图4c烧结温度在1180下BiYbO3-BaTiO3陶瓷样品的断面扫描电镜图Fig. 4a sintering temperature at 1180 sectional scanning electron micrographs BiYbO3-BaTiO3 ceramic samp

49、les3.4相同烧结温度下不同掺杂量对陶瓷结构形貌的影响图5分别为我们展现了不同掺杂量下BiYbO3-BaTiO3在同一个温度下烧结2h的XRD图谱。X依次是0、0.07和0.1，将所测得的图谱与标准的PDF卡片进行比对后我们发现，有Bi1.3Yb0.7O3的产生，这是因为在实验过程中随着时间的延长药品开始吸水受潮，药品里开始有了少量的结晶水，使得药品的称量出现了误差。随着参量的增加Bi1.3Yb0.7O3开始减少，这也能说明这一点。图5 不同掺杂量下BiYbO3-BaTiO3粉体图谱Fig.5 Different doping under BiYbO3-BaTiO3 powder XRD p

50、attern从图6(1-3)我们可以清楚的看到随着掺杂量的增加陶瓷样品的烧结密度更加致密，气孔率也会变小。这是由于掺杂后使得结晶所需要的温度会有所下降，那么随着烧结温度的上升，试样晶体会更好的结晶，晶体也会变得更加紧密，我们还发现，当烧结掺杂量升高时晶粒尺寸也会变大，也正是因为晶粒尺寸的变化从而导致了试样晶体变得更加紧密，但是掺杂量过高后极大的降低了原本结晶的温度就会使得设定的烧结温度过高的话就会使得晶粒变得异常长大，这样对陶瓷样品的结构密度的增强不仅不会有帮助，还会使陶瓷样品变得松散，并且密度也会变低。 图6.1 X=0.03的BiYbO3-BaTiO3陶瓷样品扫描电镜图Fig.6a Dop

51、ing amount of 0.03 BiYbO3-BaTiO3 Ceramics 图6.2 X=0.07的BiYbO3-BaTiO3陶瓷样品扫描电镜图Fig.6a Doping amount of 0.03 BiYbO3-BaTiO3 Ceramics 图6.3 X=0.1的BiYbO3-BaTiO3陶瓷样品扫描电镜图Fig.6c Doping amount of 0.1 BiYbO3-BaTiO3 Ceramics3.5不同烧结温度和不同掺杂量对陶瓷片密度的影响由图7.1可以看出，陶瓷材料的密度随掺杂量的增加而增加，这是因为掺杂后可以降低烧结温度，和原本烧结温度相比，掺杂后能在一个相对更低

52、我温度下完成烧结过程，也可以更好的完成致密化。再由图7.2可以看出，随着温度的提高陶瓷的密度也随之增加，这是因为随着温度的升高加速了物质的扩散运动，使得致密程度也得到提高。但是继续升高温度后发现密度并没有因为温度的升高而继续增加而是开始呈现出下降的趋势，导致这一现象的原因就在于烧结温度过高后是陶瓷中的成分开始分解，生成了一些低于BiYbO3的物质。从图中我们知道烧结的最佳温度在1120，此时的密度在8.082gcm。 掺杂量 温度 图7.1 BiYbO3-BaTiO3掺杂-密度曲线 图7.2 BiYbO3-BaTiO3烧结温度-密度曲线Fig.7.1 BiYbO3-BaTiO3 doped -

53、 density curveFig.7.1BiYbO3-BaTiO3 sintering temperature - density curve3.6介电性能根据图像可以看出不管是不同的烧结温度还是不同的掺杂量都会使得的BiYbO3-BaTiO3样品的介电常数和介电损耗随着频率的变测试频率的升高而减小，当测试频率高于104HZ时它的介电常数和介电损耗的减少趋势变小，开始逐渐趋于稳定。在低频的时候，由于在烧结陶瓷样品的过程中产生了大量的气孔，而在气孔和陶瓷相连的边界部分，空气和陶瓷晶粒的电学特性不连续会造成大量的空间电荷，这就造成陶瓷频率极不稳定。并且陶瓷样品中还存在很多缺陷，使得陶瓷样品的介电

54、常数在低频时很高又不稳定。但是随着频率的持续升高，当频率达到105HZ后陶瓷的介电常数和介电损耗就会基本稳定，这主要是因为此时的陶瓷介电常数的贡献来自离子和电子。由图8.1可以看出，随着掺杂量的增加介电常数会增加，当掺杂量继续增加后介电常数就会开始下降，这是因为随着掺杂量的增加使得晶粒内部的缺位浓度下降，当掺杂量达到晶格常数的最大值后就会就使得此时的位缺浓度最低，介电常数也就达到最高。但是如果继续增加掺杂量就会出现新的位缺，那么随之而来的就是介电常数下降。再由8.2我们可以发现，随着温度的升高，陶瓷材料内部的热运动加剧，那么材料内部的因自发极化而产生的畴壁运动会会变得更加容易，随之而来的就是热

55、缺陷变得更多，加剧了松弛极化，从而使得介电常数随温度的升高而增加。由于在高温下很容易漏导，因而在高温下的介电损耗也极具增加。图8 陶瓷样品 10 102 103 104 105 106 10 102 103 104 105 106图8.1不同掺杂量的介电损耗, 红线X=0.07 绿线X=0.1 蓝线X=0Fig.8.1 Type doped dielectric loss Red X=0.07 Green Line X=0.1 Blue Line X=0 10 102 103 104 105 106 10 102 103 104 105 106图8.2不同烧结温度的介电损耗, 蓝线1120 红

56、线1180 绿线1250Fig.8.2 Different sintering temperature dielectric loss, The blue line shows1120、The red line indicates1180、Green line represents1250.重庆科技学院本科生毕业设计 4 实验结论与展望4 实验结论与展望4.1实验结论本实验采用固相法制备的BiYbO3-BaTiO3粉体，然后将制备好的BiYbO3-BaTiO3粉体参胶压片、烧结得到陶瓷材料。先用相同的掺杂量不同的预烧温度进行比对寻找最好的预烧温度；在又相同掺杂量、相同预烧温度不同的烧结温度来寻

57、找最佳的烧结温度；最后在由相同预烧温度和相同烧结温度来研究不同掺杂量的情况下材料的组织形貌与性能。通过本次试验总结出了以下几点试验结论。本次采用固相法来制粉，固相法制粉有一大缺点就是容易受到污染产生杂相，所以在试验过程中要认真注意每个细节，不能让粉体受到污染。预烧温度对陶瓷材料性能很重要，是制备合格的BiYbO3-BaTiO3粉体的关键。本次试验选取了960、1000和1040三个预烧温度，通过XRD图谱分析可以发现最好的烧结温度应该在900左右。烧结是粉体变为陶瓷的关键一步，合理的烧结温度和烧结时间可以提高陶瓷材料的致密度，拥有更好的结构形貌和电性能。本次试验用1120、1150和1180三

58、个温度烧结2h，通过XRD图谱比对分析和扫描电镜对组织形貌的观察发现随着烧结温度的增加，试样晶体会变得更加紧密，这是因为温度的升高加快了晶粒的长大，所以变得更加紧密。而且预烧时出现的杂相在高温烧结下也分解掉了。掺杂会使得晶体的晶格增大，介电常数也会增加，并且掺杂后会降低其居里温度，随着掺杂量的增加便会使实验烧结温度高于固有烧结温度，晶粒也会出现异常长大的现象。重庆科技学院本科生毕业设计 参考文献参考文献1 裴先茹，高海荣压电材料的研究和运用现状J安徽化工，20102 王燕，边小兵，周剑平，肖瑞娟，张玉祥不同烧结温度下制备BaTiO3陶瓷及其电学性能的研究J陕西师范大学学报，2013,41（4）04-0024-073 石维，冉耀宗，左江红，王强，陶涛，欧永康高温压电材料的概括及发展趋势J铜仁学报，2011,13（5）：05-0140-034 沈振江，陈燕，陈方平，等锆元素不同掺杂方式对钛酸钡陶瓷介电性能的影响J中国陶瓷，2011，43(1)：1-0012-035 姚永红，王建武烧结对NBTBT无铅压电陶瓷结果和电性能的影响J咸阳师范学院学报，2010，22(1)：04-0042-046 张雷，沈建兴，李传山，董金美，马元，闫春雷无铅压电陶瓷制备方法的研究M硅酸盐通报，20077 朱家昆