(Bi0.5Na0.5)TiO3基无铅铁电陶瓷的相变行为与性能研究

来源 :中国科学院大学(中国科学院上海硅酸盐研究所) | 被引量 : 0次 | 上传用户:zhengyicai2010
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铁电材料具有丰富的相变行为和复杂的耦合效应,被广泛地应用于国防、高新技术、民用等领域。目前应用的主要是含铅材料如Pb(Zr,Ti)O3体系,由于铅的使用不利于环境友好和人类可持续发展,无铅化是目前的研究热点和发展趋势。(Bi0.5Na0.5)TiO3(BNT)基无铅铁电陶瓷因具有强铁电性能、弛豫特性、微区结构复杂等特点近些年来广受关注。纯BNT陶瓷矫顽场大、电阻低、退极化温度Td低等缺点限制了其实际应用,性能仍然需要进一步优化。其次,BNT基陶瓷在外场下的相变行为和晶体结构变化复杂,需要深入系统地研究。最重要的是,BNT基铁电陶瓷在等静压及动态冲击波下的退极化行为研究非常具有科学意义和工程价值,但目前尚未报道。研究表明,通过固溶第二组元BiAlO3(BA)得到的BNT-BA体系具有高剩余极化强度Pr、低损耗、高电阻等优点,在室温下为铁电、“反铁电”两相共存,并且压力能诱导铁电相-弛豫相转变,性能优异且相变丰富。基于以上背景,本文选择BNT-BA体系作为研究对象,通过Mn元素掺杂、NaNbO3(NN)固溶,调控陶瓷的相结构,优化材料的性能;系统研究BNT-BA陶瓷在电场和温度场下的相变行为与晶体结构变化;总结等静压诱导BNT-BA-NN陶瓷的相变规律,深入分析冲击波下的放电行为与机制,在铁电高功率脉冲技术领域非常具有应用潜力;发现BNT-BA-NN陶瓷具有优异的室温热释电性能,有望应用于红外探测技术。主要研究内容和结果如下:(1)研究了(1-x)BNT-xBA铁电陶瓷在电场和温度场下的相结构变化。发现电场诱导铁电三方相R3c的生成,且三方畸变明显增大;电滞回线面积<A>、Pr随电场Eo呈现三段式增长方式,对应的极化翻转可分为三个阶段:畴壁振动、纳米畴或极性纳米微区形成宏畴、铁电畴随电场取向。而经电场加载极化后的陶瓷,随着温度的增加,电场诱导产生的铁电相FE不可逆地转变回初始的弛豫相RE,并伴随着平均晶体结构从三方到赝立方的转变,以上结果表明该体系的退极化行为与晶体结构变化直接相关。(2)通过Mn元素掺杂优化0.96BNT-0.04BA陶瓷的性能,研究Mn掺杂对陶瓷形貌、铁电性能、退极化行为的影响。结果表明平均晶粒尺寸和Pr随Mn含量的增加均呈现先增大后减小的趋势,而损耗先降低后增加。在x=0.7%处陶瓷的铁电性能最佳,Pr高达41μC/cm2,铁电性能的增强可归因于陶瓷烧结性能的提高、铁电畴尺寸的增大以及损耗的降低。同时,适量Mn掺杂提高退极化温度,Td从140℃(x=0)提高至161℃(x=0.7%),原位变温XRD结果表明Mn掺杂将陶瓷的三方R3c铁电相稳定到更高温度。(3)固溶NaNbO3得到新三元体系0.98BNT-0.02BA-xNN陶瓷,系统分析NN对基体陶瓷的相结构、铁电性能、热释电性能的影响。发现NN有效地调控弛豫相的含量,有利于四方相P4bm的生成。该体系陶瓷具有优异的室温热释电性能,x=0.02组分具有最优的综合热释电性能:p=7.48×10-88 C/cm2K,Fi=2.66?10-1010 m/V,Fv=8.07?10-22 m2/C及Fd=4.22×10-55 Pa-1/2,且退极化温度较高(Td=155℃),有望应用于红外探测领域。(4)针对0.98BNT-0.02BA-xNN组分,系统研究其在等静压下的相变行为。发现等静压有利于弛豫相的稳定存在,诱导发生铁电相-弛豫相转变(FE-RE),并且组分、温度、极化处理等均影响相变压力。相变压力的变化主要归因于陶瓷中的弛豫相含量和铁电畴的变化。增加NN含量和升高温度均有利于弛豫相生成,相变压力均降低;而极化处理后铁电相增加,铁电宏畴形成,因此相变压力升高。(5)研究0.98BNT-0.02BA-xNN组分铁电陶瓷在动态冲击波下的退极化行为,分析不同外接电阻的放电行为,并探讨可能的退极化机制。极化后的铁电陶瓷在冲击波下基本彻底退极化,释放的电荷密度高达38?C/cm2,约为热退极化电荷密度的95%,比PZT95/5陶瓷高18%,为目前铁电陶瓷最大值,退极化机制可能归因于FE-RE相变。短路条件下得到的方波电流波形幅值高达25 A,上升沿小于0.1?s,半峰宽约为2.3?s,最高耐压可达4.0 kV/mm,方波波形随外接电阻而发生变化。以上结果表明BNT基陶瓷在冲击波下能释放大电流,为其在铁电脉冲技术领域的应用提供了科学依据和理论参考。
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