低烧高温压电陶瓷新体系的设计及机理研究

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近年来,在国家战略导向的指引下,深海、太空、深地探查等领域的研究和开发日益活跃。其中,压电材料在这些应用场合下发挥着不可替代的作用。然而,目前广泛使用的压电材料锆钛酸铅(PZT)使用的温度上限仅仅在200℃附近,不能在较为极端的条件下发挥作用。这就对高居里温度压电陶瓷的开发提出了需求。在高居里温度陶瓷体系中,铋层状结构的压电陶瓷具有超高的居里温度,近年来受到广泛关注。  本文以钨酸铋(Bi2WO6)陶瓷体系为研究对象,通过掺杂改善其温度特性;针对Bi2WO6压电活性低的特点,研究改善其压电性能;针对广泛存在的压电陶瓷在居里点以下失去压电性的现象,选择代表性的体系,研究退极化机理;并面向水声工程应用,进行了一些大尺寸工件制备的工艺性研究与探索。  首先,以Bi2WO6为对象,通过La掺杂获得Bi2(1-x)LaxWO6(x=0、0.005、0.01、0.02、0.04)体系进行研究。在950℃下烧结4小时,即在低烧结温度实现致密化。通过测试其结构和性能,发现La的掺杂并没有改变Bi2WO6的结构类型,为Aba2(41)空间群,且陶瓷温度特性好,具有较高的居里温度(>800℃)和退极化温度(>800℃),具备在高温下工作的能力。Bi1.98La0.02WO6盼性能如下:Tc=905℃,Td=880℃,Qm=1642.3,d33=17pc/N,ε=82.01,tanδ=0.19×10-2。  其次,通过Mn掺杂进行改性研究,发现Mn的掺入并没有改变Bi2WO6晶体结构类型,不同组分下陶瓷均为Aba2(41)空间群。Mn的掺杂使晶胞的体积变大,有效地提高了压电活性,Bi2W1.98Mn0.02O6的压电常数d33和机电耦合系数kp约为纯Bi2WO6的三倍和两倍。  再次,通过选择研究体系PZTMN、BSPTPNW、PTBFM、BWLi和BWLa,测试其结构和温度特性,发现退极化温度与介电损耗峰的温度有很好的对应性。  最后,面向水声工程应用,探索了大尺寸工件的成型与烧结。在大尺寸工件的制备过程中,总结了一些模具设计,胚体的压制成型、排塑烧结和样品的检查登记等方面的工艺。
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