织构化钛酸铋钠基无铅压电陶瓷的制备及其压电性能研究

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压电陶瓷可实现机电转换,在电子产品中应用广泛。锆钛酸铅(PbZrxTi1-xO3,简写为PZT)基压电陶瓷因其优越的压电性能在压电领域占统治地位,其体系铅含量质量分数在70%以上,然而由环境问题催生的法令呼吁无铅化。钛酸铋钠(Bi0.5Na0.5TiO3,简写为BNT)基无铅压电陶瓷是最有望取代铅基压电陶瓷的材料之一。一些组分处于准同型相界(MPB)的BNT基三元体系无铅压电陶瓷在电场下的应变已经超过一些铅基陶瓷,但是这些体系大的应变需要在大的驱动电场下才能展现出来,限制了它们的应用。织构化是一种改善陶瓷压电性能有效的方法。本论文首先制备Bi4Ti3O12(BiT)粉体并以其为前驱体,经两步熔盐法制备了Bi0.5Na0.5TiO3(BNT)粉体。然后以此BNT粉体为模板,将其加入0.79Bi0.5Na0.5TiO3-0.20Bi0.5K0.5TiO3-0.01K0.5Na0.5NbO3(0.79BNT-0.20BKT-0.01KNN)和0.91Bi0.5Na0.5TiO3-0.06BaTiO3-0.03AgNbO3(0.91BNT-0.06BT-0.03AN)基体粉体中,经流延成型、烧结生成织构化陶瓷。最后对织构化陶瓷进行压电性能测试。由熔盐法成功制备出了片状BiT和片状BNT模板,其平均直径为10-20μm,平均厚度为0.3μm,主表面与(00l)晶面平行。对烧结样品的研究表明,陶瓷晶粒具有<001>取向;BNT模板比BiT模板更加适用于BNT基陶瓷的织构化;提高烧结温度或延长保温时间都可以促进织构化的发展;取向度不会随模板含量的增加而单调增加。陶瓷压电性能研究表明,织构化0.79BNT-0.20BKT-0.01KNN陶瓷的压电性能没有得到改善;织构化0.91BNT-0.06BT-0.03AN陶瓷的压电性能得到改善,BNT模板含量为5wt.%时在6kV/mm的电场下Smax=0.476%,大信号d33=793pm/V,相较于随机取向陶瓷,Smax和d33提高了25.3%。
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