铌酸钠基无铅陶瓷的组成设计及其电学性能的研究

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铌酸钠陶瓷(NaNbO3:NN)作为一种典型的无铅反铁电(AFE)陶瓷,具备丰富的温度诱导相变过程。通过组成设计来调控其相结构,可以获得优异的机电性能。之前对NN的研究主要集中在相结构的演变及其应变特性,对于NN反铁电的储能应用研究较少。本文以铌酸钠为基体,通过组成设计调控NN的相结构演变,从而获得了良好的铁电、压电性能。同时,通过众多测试手段,深入的探讨了相结构对其储能性能和压电性能影响的内在机理。全文主要内容如下:(1)以NN为基体,通过A/B复合掺杂的方式向其中加入Na0.5La0.5TiO3(LNT)合成(1-x)NN-x LNT(NLNTx)固溶体陶瓷。La3+和Ti4+的复合掺杂不但有效的稳定了NN中的高温AFE R相,也诱发了明显的介电弛豫行为。结果表明,在x=0.16-0.2的组成范围内,陶瓷的储能性能得到了极大的提升。并在弛豫反铁电NLNT0.18中掺入烧结助剂,掺杂烧结助剂后,由于晶粒尺寸减小,电阻率提高,介电损耗降低,击穿场强提高,储能性能进一步提高。HR-TEM和原位拉曼光谱分析证明了APNRs的存在和其在电场下的快速极化响应以及由此带来的高EA-F~30 k V/mm,为本研究取得的优异储能性能提供了良好的理论基础。(2)以0.85NN-0.15LNT为基体,采用适量的Na SbO3(NS)取代其中的NN,制备了新的NN-LNT-NS三元体系。结果表明,Sb离子的加入降低了B位离子的平均极化率,从而起到了稳定NN中AFE相的效果,同时Sb离子的加入也起到了降低陶瓷极化滞后的效果,极大的提升了陶瓷的储能效率。同样对NN-0.15LNT-0.03NS进行烧结优化,从而进一步提升其储能性能,最终获得了Wrec~6.05 J/cm~3和η~80.4%的优异储能性能。并测量了其变温和变频的P-E曲线,通过计算发现该陶瓷具备良好的温度和频率稳定性,为陶瓷的实际应用提供了良好的基础。(3)通过固相反应法制备了LiNbO3(LN)和NN的二元固溶体(1-x)NN-x LN陶瓷。结果表明LN的加入稳定了NN中的铁电相,并将纯NN中低温的铁电N相调制到室温。其室温结构随着LN的加入逐渐由正交(O)反铁电P相转变为正交铁电Q相最后再由Q相向三方(R)铁电N相转变。并且在x=0.12时获得了R相和O相的多晶型相界,从而获得了优异的电学性能。同时还通过变温拉曼的方式验证了高温四方相(T)的存在,并给出了NN-LN二元体系相图,为后期的进一步调控提供了结构基础。
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