B位离子掺杂BNT基无铅压电陶瓷的制备与性能研究

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压电陶瓷被广泛应用在通讯、医疗、军事等领域,但目前绝大多数含60 wt%左右的铅元素。出于环境和健康的需求,发展无铅压电材料替代铅基材料成为迫切的问题。由于优良的铁电性能,Bi0.5Na0.5TiO3(BNT)基无铅压电陶瓷被认为是最有可能替代铅基压电陶瓷的之一。本文以BNT基为研究对象,采用传统固相反应法制备B位单离子掺杂改性以及B位复合离子掺杂改性的BNT基压电陶瓷,具体研究了掺杂改性对相结构、铁电性、压电性以及电致应变性能等的影响。以0.8BNT-0.2SBT为基体,制备了Nb5+掺杂改性的0.8BNT-0.2SBT体系压电陶瓷。当Nb5+掺杂量为0.01时能够完全固溶进0.8BNT-0.2SBT晶体结构,当Nb5+含量增加到0.02和0.03时会产生第二相。随着Nb5+掺杂含量的增加,d33*从229 pm/V增加到390 pm/V,d33从146 p C/N减小到7 p C/N,TF-R从120℃减小到40℃。这意味着铁电有序逐渐被破坏,形成了遍历弛豫相,在较高的外加电场下能够发生从弛豫相到铁电相的可逆相转变,获得大的电致应变。0.8BNT-0.2SBT-x Nb体系压电陶瓷的性能是组分、温度、电场等因素综合作用的结果。以0.8BNT-0.2BKT与0.884BNT-0.08BKT-0.036BT为基体材料,制备了B位复合离子(Fe0.5Nb0.5)4+掺杂改性的0.8BNT-0.2BKT与0.884BNT-0.08BKT-0.036BT体系压电陶瓷。所有掺(Fe0.5Nb0.5)4+离子的样品都为单一的钙钛矿型结构。随着(Fe0.5Nb0.5)4+离子掺杂量增加,铁电有序逐渐被破坏,TF-R逐渐减小到室温,发生了铁电相到弛豫相的相变,在外加电场下发生弛豫-铁电的可逆相变,使得电致应变急剧增加。当(Fe0.5Nb0.5)4+含量分别为0.04和0.055时,室温下的电致应变分别为0.4%@6.5 k V/mm(d33*=615 pm/V)与0.36%@6 k V/mm(d33*=600 pm/V)。以0.91BNT-0.06BT-0.03KNN为基体,制备了Cu2+掺杂改性的0.91BNT-0.06BT-0.03KNN体系压电陶瓷。Cu2+掺杂降低了烧结温度,从1150℃降低到960℃,提高了陶瓷致密度。室温下,掺杂Cu2+离子的样品均为单一钙钛矿型结构,所有的掺Cu2+的样品为弛豫相结构。随着Cu2+含量增加,介电常数(?)、居里温度(TC)、应变(S)、极化(P)先减小后增大,然而矫顽场(Ec)先增加后减小。Cu2+掺杂的陶瓷样品都表现出弱压电响应,压电系数小于30 p C/N。Cu2+掺杂的样品在7 k V/mm外加电场下取得的最大电致应变分别为0.381%、0.313%、0.330%、0.335%。
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