钛酸铋钠基微晶无铅压电材料微结构与性能优化研究

本课题围绕决定钛酸铋钠材料的固体微结构、压电与铁电性能的微结构调控和致密化微晶结构可控制备三个关键科学问题开展研究工作。以钛酸铋钠(BNT)基钙钛矿结构无铅压电材料为基，应用电子陶瓷固相反应法和溶胶-凝胶法，通过固溶和双重离子二次掺杂进行材料组成设计;引入机械化学湿式高能球磨、等静压成型和细密化热压烧结工艺获得具有纳米晶结构的无铅压电陶瓷；利用高精度电镜与同步辐射X射线衍射技术研究材料结构与性能的微观机制，分析微晶粒形态和电畴结构、固体缺陷和纳米极性微区、晶体结构和微观畸变，获得离子无序度、结构畸变、原子配位与键合及扩散相变等信息，揭示介电非线性和弛豫铁电特性与微结构之间关系的普适规律；通过材料组成与结构的优化设计和制备工艺的改进提高其压电活性，实现居里温度系列化；进而开发设计制作微位移驱动器原型器件，为无铅压电材料元器件的微型化与集成化提供技术基础。

从钛酸铋钠材料的纳米粉体化学法制备、固溶型和离子取代型钛酸铋钠系材料压电性能的微结构调控和弛豫相变机制、及其在压电谐振式矿用甲烷传感器探头上的应用等方面开展了研究工作。.发展了微波辅助溶胶-凝胶自蔓燃法合成钛酸铋钠系纳米粉体的工艺技术。采用热重/差热、X射线粉末衍射、红外光谱等分析手段对自蔓燃工艺前后的粉体进行了分析表征，通过对合成工艺中溶胶pH值、水浴温度、柠檬酸与硝酸根离子配比、热处理温度等参数的优化，获得了钛酸铋钠若干体系的高纯单相高分散纳米粉体：NBT-BT、NBT-ST、NBT-KBT、NBT-KBT -BT等。获得了稳定高效的合成钛酸铋钠系纳米粉体的最优化工艺参数。.以准同型相界组成点的钛酸铋钠系材料为基，通过固溶和离子取代进行了材料组成设计；引入微波辅助加热、机械化学湿式高能球磨、等静压成型和细密化热压烧结工艺获得了具有纳米晶结构的无铅压电陶瓷；利用高精度电镜与X射线衍射技术研究了材料准同型相界点微结构特征及其与性能作用的微观机制，进一步分析了微晶粒形态和纳米极性微区、晶体结构和微观畸变，探讨了离子无序度、结构畸变、原子键合及弛豫相变等；通过材料组成与结构的优化设计和制备工艺的改进进一步提高了钛酸铋钠系材料的压电活性，实现了居里温度系列化；.在材料研究基础上，将高压电活性的钛酸铋钠系压电陶瓷应用于矿井瓦斯传感器，尝试开发设计并制作了用于甲烷浓度监测的谐振式瓦斯传感器探头。利用有限元分析软件辅助设计了两种具有较大吸附面积的陶瓷谐振体，分别以5A型沸石分子筛和活性炭修饰谐振体，构成4种传感器敏感探头；利用自行搭建的测试平台在不同甲烷浓度环境对敏感探头阻抗谱谐振峰偏移量灵敏度与线性度等进行了对比分析，发现以5A型沸石分子筛与板状谐振体组合得到的探头在爆炸浓度下限谐振峰偏移最显著，具有较高的灵敏性；由活性炭与环状谐振体组合得到的探头在爆炸浓度下限以下具有良好的线性，为钛酸铋钠系无铅压电材料的应用提供了直接有效的技术支持。.在本项目资助下共发表学术论文18篇，其中SCI收录6篇，EI收录10篇，国际会议论文7篇；另SCI源期刊待发表论文2篇；获陕西省科学技术三等奖1项、西安市科学技术三等奖1项、陕西省高等学校科学技术二等奖1项、西安科技大学科技进步一等奖1项；授权实用新型专利2项、申请技术发明专利3项、申请实用新型专利3项。培养硕士研究生7名，已毕业5人