文 献 综 述

1.研究背景

当今世界，人口过多、资源短缺、环境污染更是十分严重，这些严重阻碍了人类的可持续发展。各国政府和科技人员都在想方设法来解决这一问题。材料是工业的基石，更是国民经济的基础。但是，传统的材料制备与加工不仅耗能大，而且带来严重的生态环境污染。为了既满足人们日益增长的物质文化需求，又能保护生态环境，必须大力发展无污染或污染小的环保材料。压电、铁电材料在各领域都有着广泛的运用，是一种重要的高新技术材料。从环保角度看，这些材料在生产、使用的过程中有很多方面需要改进。就压电陶瓷而言，它占据了全球功能陶瓷的三分之一市场^[1]。但是，大部分压电陶瓷都是含铅的，其中氧化铅更是占到了原料总质量的70%，这对人类赖以生存的生态环境是一个严重的威胁，所以发展无铅基的压电陶瓷就尤为重要。

2.BNT的基本知识

压电陶瓷是一种能实现机械能与电能间转换的重要功能材料,在机械、电子、通信等方面有重要的应用。陶瓷具有压电性需要两个条件：一是组成陶瓷的晶粒具有铁电性；二是须经强直流电场处理（人工极化）。压电陶瓷就是经过人工极化处理的铁电陶瓷。传统的压电铁电陶瓷,包括驰豫性铁电陶瓷,大多是含铅陶瓷,其中氧化铅（PbO）约占原料总质量的70%左右。PbO 在烧结温度下具有相当的挥发性,这一方面对人体、环境造成危害, 而另一方面也使陶瓷中的化学计量比偏离配方中的化学计量比,使得产品的一致性和重复性降低。无铅压电陶瓷(或更广义称为环境协调性压电陶瓷)的直接含义是不含铅的压电陶瓷,其更深层含义是指既具有满意的使用性又有良好的环境协调性的压电陶瓷,它要求材料体系本身不含有可能对生态环境造成损害的物质, 在制备、使用及废弃后处理过程中不产生可能对环境有害的物质, 且材料的制备工艺具有耗能少等环境协调性特征^[2]。因此发展非铅基的环境协调性的压电铁电材料是一项紧迫且具有重大实用意义的课题。一些国家正在酝酿立法,即为了保护地球和人类的生存空间,防止环境的污染,在不久的将来将禁用含铅的压电铁电材料。因此发展非铅基的环境协调性的压电铁电材料是一项紧迫且具有重大实用意义的课题^[3]。

目前, 可以利用的无铅压电体系有钛酸钡(BaTiO3)基压电陶瓷、铌酸盐系压电陶瓷、含铋层状压电陶瓷以及钛酸铋钠基(BNT)压电陶瓷等^[4]。无铅压电陶瓷钛酸铋钠Bi_0.5Na_0.5TiO₃ (简称BNT) 是一种A位复合取代的钙钛矿型结构的铁电材料，是1960年由Smolenskii等人发明的。在室温下它的剩余极化为Pr =38μC/cm2 ,具有很强的铁电性,其居里温度高、机电耦合系数较大、介电常数小,热释电性能与PT和PZT相当、声学性能好（其频率常数N_p=3200H_z#183;m）因而有利于制作声表面波器件。它的烧成温度属于中温烧结（约在 1050℃～1100℃ 烧结），较易获得好的陶瓷烧结体。但是钛酸铋钠陶瓷的矫顽电场很高，达Ec = 7.3kV/mm。此外，钛酸铋钠陶瓷在铁电相的电导率较高，因此极化十分困难，难以制得实用的压电陶瓷。该系列陶瓷烧成温度范围窄，Na₂O易吸水，陶瓷中化学键的稳定性较PZT差，单纯的BNT陶瓷较难实用化。目前钛酸铋钠基( BNT )无铅压电陶瓷材料以及其它无铅压电陶瓷材料的性能与含铅压电陶瓷材料相比尚存在较大差距,仍需进一步研究、完善。

3.溶胶凝胶法制备粉体

BNT基陶瓷的制备方法有固相合成法^[5]、水热法、溶胶-凝胶法等。其中溶胶-凝胶法在制备铁电材料方面具有很多优势:纯度高、化学组分均匀、成温度低、操作简单等,故越来越受到人们重视^[6]。

3.1溶胶凝胶法原理