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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。