【摘 要】
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在过去几十年中,铅基压电陶瓷的使用造成了大量的环境污染,因此开发无铅材料具有重要意义。钛酸铋钠基无铅压电陶瓷是一种在室温下具有R3c相的A位复合钙钛矿铁电材料,具有高居里温度、稳定的机械品质因数以及较大的场致应变,是一种很有前途的无铅替代材料。然而,相对较低的退极化温度阻碍其实际应用。本文以钛酸铋钠基无铅压电陶瓷为研究对象,通过掺杂、空气淬火、复合Zn O等改性方式提升材料的压电性能并探索相应的影
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在过去几十年中,铅基压电陶瓷的使用造成了大量的环境污染,因此开发无铅材料具有重要意义。钛酸铋钠基无铅压电陶瓷是一种在室温下具有R3c相的A位复合钙钛矿铁电材料,具有高居里温度、稳定的机械品质因数以及较大的场致应变,是一种很有前途的无铅替代材料。然而,相对较低的退极化温度阻碍其实际应用。本文以钛酸铋钠基无铅压电陶瓷为研究对象,通过掺杂、空气淬火、复合Zn O等改性方式提升材料的压电性能并探索相应的影响机理。本文的主要工作如下:（1）采用固相反应法合成NBT-BFO-100x BT（x=0.02,0.04,0.05,0.06,0.07,0.08,0.09,0.10）陶瓷。研究发现,Ba Ti O3的引入致使材料从三方相转变为三方/四方共存相,并在x=0.07处展现出最大的压电常数(d33=87 p C/N)。此外,随着Ba Ti O3掺杂量的提高,样品从铁电态向弛豫态发生转变,退极化温度降低。（2）对NBT-BFO-100x BT陶瓷进行空气淬火,结果显示淬火增加了样品晶体内部的晶格畸变,诱导其发生弛豫-铁电转变,并显著提升陶瓷的退极化温度,x=0.04时退极化温度从420℃升至580℃。此外,具有强弛豫特性的组分淬火后同时实现了压电常数和退极化温度的增强。x=0.10时淬火后压电常数升至97 p C/N,退极化温度升至380℃,显示出这一体系在高温压电应用中的潜力。（3）对强弛豫特性组分NBT-BFO-10BT进行复合Zn O处理,制备NBT-BFO-10BT:100x Zn O（x=0.01,0.03,0.05,0.07）复合陶瓷。EDS图像显示Zn2+在陶瓷中具有两种分布形式,一部分进入晶格形成掺杂取代,另一部分聚集在晶界周围形成Zn O富集区域,过量的Zn O还会与基体反应生成第二相Zn Fe2O4。研究结果表明,适量的Zn O能显著提高样品的压电常数和压电常数的温度稳定性。x=0.03时,室温下的d33从62 p C/N提升至106 p C/N,且在240℃时仍保留室温压电常数的89%。此外,淬火工艺对复合陶瓷退极化温度的提升仍然有效,空气淬火后样品的退极化温度均不同程度增加。（4）最后针对NBT基陶瓷高温漏导大的问题,向NBT中掺杂BA制备NBT-100x BA（x=0.02,0.06,0.07,0.08,0.10）陶瓷,并对其进行空气淬火。对比NBT-BFO体系,BA的引入显著降低材料高温下的介电损耗,400℃时所有样品的介电损耗在0.3以下,提升了其高温绝缘性。淬火处理稳定了样品内部的铁电序,同时提升了高BA含量组分的压电常数和退极化温度,7BA样品的d33从33 p C/N升至84 p C/N,Td从60℃升至140℃,发掘了其在更高温度环境中应用的潜力。
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