元素掺杂的(K,Na)NbO3与(Bi,Na)TiO3基压电陶瓷的结构与电学性质的研究

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铅基压电材料凭借其优异的压电性能和稳定的化学性质而被广泛应用于军工领域和日常生活中。但是含铅制品的生产、使用以及后期处理过程会对环境和人体产生危害,因此科研工作者正致力于探索高性能无铅压电材料来取代铅基材料。(K0.5Na0.5)Nb O3(KNN)与(Bi0.5Na0.5)Ti O3(BNT)基无铅压电陶瓷具有优良的电学性质,使得无铅基压电陶瓷取代铅基陶瓷成为可能。本文以KNN基与BNT基两种压电陶瓷体系为研究对象,从构建新型固溶体、提升材料性能和开发多功能铁电体等方面入手,制备多元无铅压电陶瓷,研究其相变、微观结构与电学性能之间的构效关系。主要研究内容及结果如下:(1)采用固相反应法制备了(1-x)Bi0.5(Na0.48K0.52)0.5Ti O3-x Ba ZrO3陶瓷,简称为(1-x)BNKT-x BZ。所制备的样品均显示为纯的钙钛矿结构,BZ进入晶格中形成了稳定的固溶体。研究发现,随着BZ掺杂量的增加,样品平均晶粒尺寸逐渐增大,与纯相BNT相比,BZ的引入可以有效优化(1-x)BNKT-x BZ陶瓷的电学性能。根据修正后的居里外斯定律,系统地研究了样品最高极化温度以及弥散指数的变化,利用阻抗谱分析了陶瓷的阻抗特性,发现该陶瓷的电阻效应与半导体类似。经过浓度比例的调控,当掺杂量为x=0.06时,得到最佳性能参数:最高介电常数εm=4624,介电损耗tanδ=0.0028,退极化温度Td=51°C,最高极化温度Tm=352°C。结果表明,该体系有望成为高温超导体的候选材料。(2)采用稀土元素Sm3+掺杂,制备了(1-x)(K0.48Na0.52)(Nb0.96Sb0.04)O3-x(Bi0.45Na0.5Sm0.05)ZrO3陶瓷,以期望提高KNN基陶瓷材料的性能。通过XRD、SEM、Raman、介电温谱以及PL等测试,对样品的相关性质,包括结构、压电性、介电性、铁电性以及荧光特性,进行了深入的探讨。结果证明,适量BSNZ(x=0.03~0.04)掺杂的样品可以在室温下构建R-T共存区域,材料的电学性能得到了优化,最佳性能参数如下:d33由85 p C/N增加到260 p C/N,室温下的介电常数εRT=2185,最高介电常数εm=4706,居里温度TC=250 oC,剩余极化强度Pr=21μC/cm2,矫顽场Ec=15 k V/cm。经稀土离子Sm3+掺杂的样品,在室温下表现出良好的光致发光性能,使陶瓷兼具压电和发光特性,我们相信该工作对于光电元件和多功能材料的发展应用具有指导意义。(3)将具有ABO3型钙钛矿结构的SrTiO3作为掺杂剂,制备了(0.97-x)(K0.47Na0.50Li0.03)(Nb0.96Sb0.04)O3-0.03(Bi0.45Na0.5Sm0.05)ZrO3-x SrTiO3三元无铅压电陶瓷体系,研究了ST对KNN基压电陶瓷烧结特性、相结构、微观结构与电性能的影响规律。结果表明,ST的掺杂,在陶瓷中构建了O-T共存相区域,自发极化方向增多,电畴翻转几率增加,从而提高了材料的机电性能。在ST掺杂量为x=0.001时,各项性能达到最优:压电常数d33=298 p C/N,室温下的介电常数εRT=1991,最高介电常数εm=7046,居里温度TC=287 oC,剩余极化强度Pr=17μC/cm2,矫顽场Ec=14 k V/cm。该陶瓷体系良好的电学性能使其有望应用于高性能电容材料领域。
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