论文部分内容阅读
弛豫铁电材料具有高的机电应变特性以及能量存储性能使其在驱动器、传感器和高功率密度电容器等领域中得到了广泛应用。Bi基钙钛矿弛豫铁电材料具有良好的铁电性能以及相关的三元体系能够在较宽的组成范围内调节以满足实际应用。本文选择以BiFeO3 (BF)、Bi(Mg1/2Ti1/2)O3 (BMT)以及Bi(Ni1/2Ti1/2)O3 (BNiT)为代表的铋基类钙钛矿陶瓷材料为基体,通过组成的优化设计,构建了新的三元体系,探索其组成-结构-电学性能之间的关系,并着重对机电应变、能量存储特性及其相关机理进行研究,全文主要研究内容和创新之处如下：(1)考虑到BF-PbTiO3 (PT)具有优异的铁电性能,通过弛豫铁电体Ba(Zr0.25Ti0.75)O3 (BZT)取代BF,构建了新的BF-PT-xBZT三元体系。研究表明,随着BZT含量的增加,存在菱方相-菱方和四方相共存-伪立方相的相结构转变,同时伴随着正常到弛豫的相转变。在这一过程中,x=0.19组成获得了增强的压电性能(d33～390 pC/N)和应变性能(E=4kV/mm,5～0.24%, d33*～600 pm/V),而在x=0.27组成获得了大的应变性能(E=4kV/mm,S～0.36%, d33*～900 pm/V)而无准静态的压电性能。采用原位电场同步辐射XRD测试,分析了这些样品在电场下相结构的演变过程,进一步揭示了该陶瓷具有高的压电和应变性能的内在机理。(2)设计了一个新型的无铅BF-BaTiO3-xBaZrO3 (BF-BT-xBZ)三元体系。通过介电、铁电以及应变性能的测试,结果表明室温下存在非各态历经-各态历经弛豫相转变。当x=0.04时,Tf接近室温,具有各态历经和非各态历经相共存,并获得了大的应变性能(7 kV/mm,S～0.37%, d33*～528 pm/V)和较小的滞后(Hys.-39%)。通过对不同电场和频率下的应变分析表明,其应变主要是由于电场诱发的各态历经弛豫相-铁电相的转变,并发现大应变具有较低的驱动电场Eef和频率不敏感特性,使得该材料在陶瓷驱动器领域具有一定的潜力。(3)利用弛豫铁电体Pb(Ni1/3Nb2/3)O3 (PNN)与BMT相互取代,构建了BMT-PT-xPNN三元体系。研究发现,该体系在室温下存在非各态历经-各态历经-非各态历经相的演变过程。在这一过程中,在富BMT一侧和富PNN一侧的两相共存区附近出现了两个应变极值,分别为x=0.2,S～0.36%, d33*～600 pm/V;x=0.65, S～0.3%, d33*～420 pm/V。有趣的是,富BMT一侧组成的应变具有较大的应变滞后但温度稳定性较好；相反,富PNN一侧组成的应变虽然具有较小的应变滞后但对温度变化比较敏感。分析表明这一现象归因于BMT一侧相比于PNN一侧组成的极性纳米微区具有较大尺寸以及弱的活性。(4)在BNiT-PT-xPMN (Pb(Mg1/3Nb2/3)O3)体系中,通过对BNiT和PMN的相互取代,发现两端组成向中间变化弛豫程度逐渐增加,并观测到在伪立方-四方相相变的同时伴随着弛豫-铁电的转变。在较宽的组成范围内0.15≤x≤0.4存在各态历经和非各态历经两相的共存,从而获得了对组成不敏感的大应变平台～0.36%, d33*=583pm/V)。通过该体系的机电应变对温度响应特性的进一步研究发现,不仅在Tf附近获得大应变,在Tfr附近也能够获大应变,均由于电场诱发的各态历经弛豫相-铁电相转变的缘故。由于Tfr附近的各态历经相与长程铁电相具有更相似的自由能,因此Tfr温度附近的大应变具有低的滞后及驱动电场,但应变值相对较小。(5)系统研究分析了低损耗微波介质材料Ba(Mg1/3Nb2/3)O3 (BMN)与BF-BT构建的BF-BT-xBMN三元体系的介电、铁电以及能量存储性能。研究发现,BMN的加入,成功调节了该体系的弛豫特性。当BMN含量为x--0.06时,在12.5 kV/mm电场下获得高的Pmax (38μC/cm2)以及低的Pr (5.7μC/cm2),导致其具有高的能量存储性能：W～1.56 J/cm3,η～75%。这些结果主要归因于电场诱导的各态历经弛豫相-铁电相可逆转变。此外,在25-190℃温度范围内其能量存储性能具有良好的热稳定性,这是由于各态历经和非各态历经弛豫相能在该温度范围内同时共存,即两相具有相似的自由能,在外加电场作用下该温度范围内的各态历经弛豫相较容易的转变为长程铁电相。(6)利用与BF的容许因子差别较大的La(M1/2Ti1/2)O3 (LMT)取代BF,构建了BF-BT-xLMT三元体系。研究发现,LMT的加入更容易调节了该体系的弛豫特性,并在LMT含量为0.06时,能量存储性能得到了明显的改善,在13 kV/mm电场下能量存储密度为W～1.66 J/cm3和能量存储效率为η～82%。该陶瓷材料相比于与其他陶瓷材料而言,具有明显的性能优势,使得该材料体系有望成为一种很有潜力的无铅能量存储材料。同时为开发具有高的能量存储性能的弛豫铁电陶瓷材料提供了一个新的设计思路。