BaTiO3-Bi0.5Na0.5TiO3系无铅压电陶瓷的结构与电性能研究

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随着人们环保意识的提高以及社会可持续发展的需要,压电陶瓷的无铅化已成为其发展的必然趋势。BaTiO3(BT)是发现最早的无铅压电陶瓷,但目前BT基陶瓷存在压电性能温度稳定性不足,居里温度Tc较低,限制了其实际应用。对于BaTiO3–Bi0.5Na0.5TiO3(BT–BNT)体系,BNT的引入能提高其居里温度并改善其温度稳定性,但其压电性却有所降低。本文采用传统固相法制备了系列BT–BNT无铅压电陶瓷,研究了高居里温度LiNbO3的引入对0.06BT–0.94BNT(BNBT6)陶瓷的微结构和电学特性的影响。探究了BaZrO3(BZ)的引入对(0.8-y)BT–0.2BNT–yBZ陶瓷以及不同含量的BNT对(0.97-x)BT–xBNT–0.03BZ陶瓷的相结构、压电、介电和铁电性能的影响。通过上述工作,获得了以下主要结果:(1)在0.06BT (0.94-x)BNT xLiNbO3(BNBT6–xLN)陶瓷中,各组分均形成三方–四方相共存的钙钛矿结构。当x≥0.025时,陶瓷的电滞回线出现变形,呈现双电滞回线特征。相对介电常数εr和介电损耗tan δ随x增大逐渐增大,退极化温度Td则逐渐降低。随着x的增加,压电常数d33呈先增后减的趋势,当x=0.02时,d33达到最大值150pC/N,此时kp=27%,Pr=34.1μC/cm2,Ec=28.8kV/cm,Td=68℃。(2)对(0.98-y)BT–0.2BNT–yBaZrO3体系的研究发现,当y <0.05时,陶瓷为纯的钙钛矿结构。随着BaZrO3含量的增加,当y=0.08时,样品中现了第二相(BaZrO3)。该体系陶瓷在y=0.030.04之间存在一个四方–伪立方转变的准同型相界(MPB),此处有最优的压电性能d33=7172pC/N,此时kp=15.4%, εr=661, Pr=18.5μC/cm2, Ec=34.1kV/cm。(3) BaZrO3的引入诱导了BT–BNT系陶瓷的弛豫性相变特性的进一步增强,当y=0.08时,弥散度γ值为1.89。随着y的增加,陶瓷的居里温度逐渐向低温移动,当x=0.03时,Tc=150℃。(4)对于(0.97-x)BT–xBNT–0.03BaZrO3系陶瓷,在所研究组分范围内,陶瓷材料均为纯的四方钙钛矿相。随BNT含量的增加,陶瓷的致密度得到提高,相对密度最高可达97.4%。该系列陶瓷的压电常数d33也随x的增加而逐渐增大。(5) Mn对0.77BT–0.2BNT–0.03BZ陶瓷掺杂改性结果表明,该体系陶瓷的压电性能逐渐降低,但样品的机械品质因素Qm随着Mn含量的增加而逐渐增大,当x=0.8%时,Qm达到最大值220。陶瓷的致密度也得到一定程度的提高。
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