高溫鉍層狀結(jié)構(gòu)SrBi4Ti4O15壓電陶瓷的性能及溫度穩(wěn)定性研究.pdf

1、鉍層狀結(jié)構(gòu)鐵電體具有較大的自發(fā)極化、良好的抗疲勞性能和較高的居里溫度，因此在鐵電存儲和高溫壓電方面具有廣泛的應(yīng)用前景。鉍層狀結(jié)構(gòu)鐵電體的鐵電性主要來源于鉍氧層(Bi2O2)2+之間的類鈣鈦礦層中的B位陽離子的偏移、氧八面體沿c軸的傾側(cè)以及八面體在a-b面內(nèi)的旋轉(zhuǎn)，但是由于其自發(fā)極化的旋轉(zhuǎn)受到晶體結(jié)構(gòu)的限制，只能在a-b二維平面內(nèi)轉(zhuǎn)動，使得鉍層狀結(jié)構(gòu)鐵電材料難以極化，壓電活性較低。目前，對鉍層狀結(jié)構(gòu)鐵電體在高溫壓電方面的研究主要是:在維持

2、高居里溫度的前提下，通過提高燒結(jié)密度、增加電阻率、提高剩余極化、降低矯頑場等手段來提高其壓電活性。本論文選擇居里溫度Tc=521℃，壓電常數(shù)d33=15pC/N的鉍層狀結(jié)構(gòu)壓電材料鈦酸鉍鍶SrBi4Ti4O15(SBT)作為研究對象，采用傳統(tǒng)的固相燒結(jié)工藝對其進行組分優(yōu)化研究，以期獲得壓電性能優(yōu)良，又能保持較高居里溫度的高溫鉍層狀結(jié)構(gòu)壓電材料。
　　本論文首先采用適合于十二配位的Ce離子對SrBi4Ti4O15的A位Sr離子進行取

3、代改性研究，表達式為Sr1-xCexBi4Ti4O15。研究結(jié)果顯示Ce對Sr的取代降低了燒結(jié)溫度，同時提高了陶瓷材料的致密度，并且顯著降低了SBT材料的矯頑場，使得材料更容易被極化。當(dāng)x=0.04時，SBT系列陶瓷的壓電性能得到顯著提高，壓電常數(shù)d33達到27pC/N，介電損耗顯著降低。改性后的SBT壓電陶瓷的平面機電耦合系數(shù)kp，頻率常數(shù)Np和Nt具有優(yōu)異的溫度穩(wěn)定性，從室溫到475℃的溫度范圍內(nèi)，kp在5％附近變化，Np和Nt的溫

4、度變化率分別為-68ppm/K和-25ppm/K。隨著溫度的增加（室溫至475℃），串聯(lián)諧振頻率基頻fs0和并聯(lián)諧振頻率基頻fp0幾乎線性地降低，其溫度變化率均為-68ppm/K。改性后的材料抗熱老化性能好，在高溫下保持較高的壓電性。
　　在研究A位離子取代改性的同時，我們還研究了B位離子取代對SrBi4Ti4O15壓電陶瓷電學(xué)性能的影響，本論文選用了Co離子和Mn離子分別取代B位的Ti離子。X射線衍射圖譜分析顯示，取代后的樣品為

5、純的鉍層狀結(jié)構(gòu)鐵電體(m=4)的正交相。隨著Co含量的提高，SrBi4Ti4-yCoyO15壓電陶瓷的燒結(jié)溫度顯著降低，樣品致密度得到增加，居里溫度Tc略有上升。經(jīng)過Co取代后，材料的壓電活性提高，當(dāng)y=0.03時，SrBi4Ti4-yCoyO15系列陶瓷的改性效果最為顯著，壓電常數(shù)d33達到28pC/N，說明Co對B位Ti的取代也能顯著提高SBT壓電陶瓷的壓電性能壓電常數(shù)。在Mn取代B位Ti的研究中，我們發(fā)現(xiàn)Mn和Co具有同樣的壓電性