BNT基无铅压电陶瓷的制备及电学性能研究

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Bi0.5Na0.5TiO3(BNT)无铅压电材料具有非常优良的电学性能,是目前无铅压电材料研究的热点之一。与PZT铅基材料相类似,BNT可以与其它钙钛矿结构的材料固溶形成具有准同型相界(MPB)的固溶体。本文首先选取了性能较为优异的BiCoO3和BaTiO3材料对BNT陶瓷进行固溶,制备了具有准同型相界的0.975BNT-0.025BC和0.93BNT-0.07BT陶瓷。其中,0.93BNT-0.07BT陶瓷在铁电、压电性能上占据明显优势,其剩余极化强度Pr、矫顽场Ec、压电常数d33分别为30.6μC/cm2、16.91 kV/cm、150pC/N。为了进一步改善陶瓷的性能,基于Bi0.5Na0.5TiO3基陶瓷的固溶研究,选取了性能更加优异的0.93BNT-0.07BT陶瓷为基体材料进行不同价态离子的掺杂改性研究。分别表征了La3+、Mn4+和Mo6+掺杂0.93BNT-0.07BT陶瓷的物相结构、铁电性能和压电性能并分析其对陶瓷性能的影响。研究表明,La3+的引入削弱了陶瓷的铁电性能,随着掺杂量的升高,其反铁电性特征越明显;Mn4+的掺杂使得0.93BNT-0.07BT陶瓷的剩余极化强度和矫顽场都呈现下降趋势,但由于矫顽场降低,陶瓷样品易于极化,并且掺杂含量较少,其压电性能反而小幅度提高;掺杂Mo6+的陶瓷在烧结过程中Mo6+容易被还原成低价态Mo离子,使晶格中出现多余的氧空位,氧空位的富集加强畴壁的“钉扎”作用,矫顽场增大,铁电性能更加稳定。相比较而言,MoO3掺杂0.93BNT-0.07BT陶瓷的电学性能较为优异,因此,有必要对MoO3掺杂0.93BNT-0.07BT陶瓷的电学性能进行深入研究,包括压电性能、介电性能、漏电特性、储能特性并分析其原因。研究结果表明,在MoO3的掺杂量x=0.10时,陶瓷的压电性能较为优异,并且MoO3会加强陶瓷电畴的短程有序性,随着掺杂量的升高,陶瓷的弛豫性越强。通过漏电特性的分析,发现掺杂前后的漏电流变化较小,陶瓷的压电性能的增强是源于晶格结构的变化。同时Mo6+的掺杂在一定程度上能够提高陶瓷的储能效率,当掺杂摩尔比x=0.10时,储能效率η极大为0.593%。
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