鈦酸鉍鈉基無鉛壓電陶瓷的制備與改性研究.pdf

1、鈦酸鉍鈉在室溫下有良好的鐵電性能，它是A位離子復(fù)合鈣鈦礦型鐵電體，并有相對較高的居里溫度(320 ℃)和大的剩余極化強度38μC/cm2，是一種具有良好發(fā)展前景的無鉛壓電陶瓷。因此，本文用傳統(tǒng)固相燒結(jié)方法制備了鈦酸鉍鈉基陶瓷，研究了不同摻雜類型對陶瓷的微觀形貌及電學(xué)性能的影響，探討了不同成分的陶瓷樣品的介電弛豫特性和相變特性。
　　首先，利用傳統(tǒng)固相燒結(jié)方法制備出Bi0.5Na0.5Ti1-xMnxO3-δ(BNTM10000x，

2、x=0,0.25％,0.5%,0.75%,1%,1.5%,2%)陶瓷。在室溫下利用Rietveld方法對BNT和 BNTM25陶瓷的晶體結(jié)構(gòu)進行精修。研究發(fā)現(xiàn)少量的氧空位以及顯著增加的正方性和晶粒尺寸的變化使得 MnO2的摻雜量為 x=0.25%時Bi0.5Na0.5Ti1-xMnxO3-δ陶瓷的機電耦合性能以及電學(xué)性能都達到最優(yōu)。過量的摻雜導(dǎo)致了氧空位的富集以及鐵電?弛豫相轉(zhuǎn)變并進一步導(dǎo)致了電學(xué)性能的惡化。BNTM25陶瓷的剩余極化強

3、度Pr=48.5?C/cm2，機電耦合系數(shù)kp=0.18，電滯應(yīng)變S33=0.24%，壓電系數(shù)d33=105 pC/N。除此之外，BNTM25陶瓷在室溫下經(jīng)過106次極化后幾乎沒有顯著疲勞，表明該組分無鉛壓電陶瓷材料具有潛在的應(yīng)用。
　　其次，為了研究不同摻雜類型對BNT基壓電陶瓷的結(jié)構(gòu)及性能的影響，制備了 Bi0.5Na0.5MnxTi1-xO3、Bi0.5Na0.5NbxTi1-xO3、Bi0.5Na0.5(Mn0.5Nb0.

4、5)xTi1-xO3和BNT陶瓷。詳細研究并分析了 Mn受主摻雜、Nb施主摻雜以及二者共摻雜對BNT陶瓷晶體結(jié)構(gòu)及電學(xué)性能的影響及原因。通過抑制Ti4+?Ti3+的還原反應(yīng)以及含高密度局域化電子的缺陷偶極子的形成，MnNb共摻雜的BNT陶瓷顯著提高了材料的居里溫度以及去極化溫度。經(jīng)極化后相比于BNT陶瓷其剩余極化強度及總應(yīng)變均有提高。同時，Nb2O5摻雜略微提高了 BNT陶瓷的抗疲勞特性，MnCO3施主摻雜將BNT陶瓷的無疲勞極化次數(shù)提

5、高到105次，而二者共摻雜的BNT陶瓷在疲勞極化106后無疲勞現(xiàn)象。
　　最后，研究了三元(1?x)Bi0.5(Na0.9K0.1)0.5TiO3–xSrTi0.8Zr0.2O3(SZT1000x，x=0,0.2%,0.4%,0.6%,0.8%,1%)陶瓷。室溫下測量的鐵電P–E回線以及極化電流密度 J–E曲線充分說明了加壓過程中鐵電疇以及納米極性微區(qū)(PNRs)的變化。大的應(yīng)變是因為在外電場為零時材料表現(xiàn)為非極性相，且在外電場下

6、可以輕易地轉(zhuǎn)變成長程鐵電相，一旦外電場消失，系統(tǒng)又回復(fù)到未極化狀態(tài)。為了研發(fā)出在較低的電場下具有大的應(yīng)變的陶瓷材料，研究了不同組分和不同外加電場時應(yīng)變的變化。發(fā)現(xiàn)當(dāng)SZT的摻雜量為0.6%mol時，外加電場為50 kV/cm時應(yīng)變?yōu)?.44%，Smax/Emax達到744 pm/V。值得注意的是，該組分在外加電場僅僅為40 kV/cm時就得到了相對較大的應(yīng)變，此時 Smax/Emax也達到了717 pm/V，這意味著該材料有希望應(yīng)用到壓