铝酸铋基新型高温无铅压电陶瓷的制备与性能研究

BiAlO3（BAO）是新发现的高居里温度（>520℃）钙钛矿无铅压电材料，在高温压电器件领域潜在广泛应用。然而BAO钙钛矿相不易控制，陶瓷难以合成，限制其进一步实用化。结合我们已具备的知识积累和前期工作，本项工作拟将熔盐粉体工艺与二步无压烧结技术结合起来制备高致密细晶BAO基陶瓷。深入研究低温熔盐法反应过程中熔盐体系粘度、离子扩散速率、极性面选择性吸附对晶体结构、尺寸和形貌的影响机制，实现高分散BAO纳米粉体的制备。进一步，选择预探索实验合成的具有高退极化温度和高容忍因子的Bi0.5K0.5TiO3（BKT）稳定烧结过程中BAO基体系的钙钛矿结构不分解，在探明晶粒生长和晶界扩散关联机制的基础上，应用二步无压烧结技术提升BAO基陶瓷致密性，结合晶粒尺度对压电性能影响的尺寸效应研究，优化体系结构获得具有优异性能的高温细晶无铅压电陶瓷，为制备出实用型、高性能的新一代高温无铅压电器件奠定基础。

当前，商用高温压电器件仍以铅基材料为主。铅是有毒的重金属元素，污染环境，损害人类身体健康，研发新型环境友好的高性能无铅陶瓷已经十分紧迫。结合我们已具备的研究条件、工作经验和知识积累，在国家自然科学基金项目的支持下，课题组从材料理论、工艺、结构和性能等方面深入研究了铝酸铋基系列新型无铅压电陶瓷。设计并采用传统陶瓷工艺合成三类铝酸铋基复合体系：K0.5Bi0.5TiO3-BiAlO3，BaTiO3-BiAlO3和LaAlO3-BiAlO3。研究发现，以K0.5Bi0.5TiO3为第二组元，难以合成纯钙钛矿相复合体系，实际产物含有K0.5Bi4.5Ti4O15铋层结构。而以BaTiO3和LaAlO3为第二组元，均可与BiAlO3复合形成稳定的钙钛矿结构陶瓷。但是BaTiO3-BiAlO3体系的居里温度较低（<100℃），不适合作为高温器件材料使用。LaAlO3-BiAlO3体系不仅具有强弛豫介电特性，而且居里温度高（>500℃），适合作为新一代高温无铅压铁电陶瓷使用。进一步，优选材料组成，应用新颖的低温熔盐法于550℃成功合成平均粒径50nm的LaAlO3-BiAlO3超细粉体，并实现具有优良电学性能的细晶陶瓷体无压烧结致密化。本项目工作为制备出实用型、高性能的新一代无铅电子陶瓷器件奠定基础。