论文部分内容阅读
目前，锆钛酸钡钙（BCTZ）陶瓷作为一种新型的二元系 BT基陶瓷材料，在准同型相界 MPB附近显示出很高的压电性能，其压电常数 d33能够达到600pC/N，可与铅基压电陶瓷材料相媲美。然而，BCTZ压电陶瓷的居里温度低，温度稳定性差，这使得陶瓷的工作温区相当狭窄，限制了其在室温下广泛的应用。 为了提高 BCTZ压电陶瓷的居里温度以及降低其烧结温度，本文采用了 BCTZ陶瓷与高居里温度 PbTiO3(PT)陶瓷复合形成固溶体，利用固相合成法制备了(Ba0.89Pb0.1Ca0.01)(Ti1-xZrx)O3(BPCTZx)低铅压电陶瓷。然后，通过对(Ba0.89Pb0.1Ca0.01)(Ti0.99Zr0.01)O3(BPCTZ0.01)压电陶瓷进行掺杂改性，一方面降低BPCTZ0.01陶瓷的烧结温度；另一方面提高BPCTZ0.01陶瓷的居里温度以及压电性能，为获得具有良好应用性能的压电陶瓷提供候选材料。其主要研究结果如下： 1.研究了 Zr/Ti含量比值的微调对 BPCTZx低铅压电陶瓷各项性能的影响。研究讨论了系数x在0.01～0.06之间的6个取值所引起的BPCTZx压电陶瓷性能的变化趋势。Zr元素含量对陶瓷材料的居里温度和压电常数这两者变化影响显著，具体的表现如下：(1)随着 Zr含量的增加，样品的居里温度 Tc向低温区移动，在 x=0.01时取得最大值Tc=166℃；(2)压电常数d33随着Zr含量的增加先增加后减少，在x=0.05时达到最大值 d33=188pC/N。该体系中 BPCTZ0.01陶瓷具有最高的 Tc，其电性能：d33=115pC/N，kp=28.9％，Qm=168，εr=1052，tanδ=1.7%，Pr=11.88μC/cm2，Ec=6.74 kV/cm。 2.研究了不同烧结温度对BPCTZ0.01陶瓷相结构、显微形貌以及电学性能方面的影响。研究结果表明：随着烧结温度的提高，BPCTZ0.01陶瓷的晶粒逐渐长大，致密度提高，当烧结温度为1300℃时，陶瓷的晶粒大小均匀，致密化程度高。压电常数d33随着烧结温度的提高先增大后减少，最大值d33=115 pC/N在烧结温度1300℃烧结4 h取得，机电耦合系数kp也在此温度下达到最大值28.9%。介电常数εr却随着烧结温度的提高反而一直降低，介电损耗tanδ在烧结温度1300℃处取得最小值1.7%。从陶瓷介电，压电性能的研究结果可以确定1300℃为BPCTZ0.01陶瓷烧结的最佳温度。 3.系统研究了BiFeO3(BF)对BPCTZ0.01压电陶瓷的相结构、显微形貌以及电学性能方面的影响。添加适量的 BF，有助于提高 BPCTZ0.01陶瓷的居里温度 Tc，当 BF的添加量为 x=0.004时，Tc=178℃，从而拓宽了 BPCTZ0.01陶瓷的工作温区。当 BF的添加量为 x=0.002时，该体系陶瓷表现出最优的综合电性能：d33=144pC/N，kp=24.2%，εr=1041，tanδ=1.62%，Qm=184，Pr=11.82μC/cm2，Ec=7.51 kV/cm。 4.系统研究了BiYbO3(BY)对BPCTZ0.01压电陶瓷的相结构、显微形貌以及电学性能方面的影响。加入少量的BY有助于改善BPCTZ0.01陶瓷的烧结性能，促进陶瓷晶粒的均匀生长，使陶瓷组织致密。添加适量的 BY，有助于提高 BPCTZ0.01陶瓷的居里温度Tc，当BY的加入量为x=0.1%时，Tc=176℃，从而拓宽了BPCTZ0.01陶瓷的工作温区。当 BY的含量为 x=0.15%时，该体系陶瓷表现出最优的综合电性能：d33=167 pC/N，kp=28.2%，εr=1425，tanδ=1.8%，Qm=215，Pr=13.41μC/cm2，Ec=9.18 kV/cm。