钪酸铋-钛酸铅高温压电陶瓷的制备及性能优化

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近年来,科学技术的飞速发展对压电材料的工作环境提出了严峻的挑战,高温压电材料的研究得到了高度的关注和重视。(1-x)BiScO3-xPbTiO3(BS-PT)二元固溶体在准同型相界(MPB)附近具有优异的压电性能(d33=460 pC/N)和高的居里温度(Tc=450℃),是应用于高温领域的的理想材料。但是BS-PT高温压电陶瓷也存在着性能对成分依赖性高、原料昂贵(Sc昂贵)、不利于大规模生产等缺点。针对这些问题,本论文以BS-PT二元体系为基础,选取Pb(Cd1/3Nb2/3)O3(PCN)和Pb(Yb1/2Nb1/2)O3作为第三组元,系统地研究了新型三元体系(0.975-x)BiScO3-x PbTiO3-0.025Pb(Cd1/3Nb2/3)O3(BS-xPT-PCN)和(0.95-x)BiScO3-x PbTiO3-0.05Pb(Yb1/2Nb1/2)O3(BS-xPT-PYN)陶瓷的相结构、介电性能、铁电性能和压电性能,以及介电、压电的温度稳定性。采用传统固相反应法合成了MPB附近的(1-x)BiScO3-xPbTiO3(x=0.60~0.66)高温压电陶瓷,研究了BS-xPT陶瓷的微观结构、相结构和电性能。单斜相和四方相在MPB组分中共存,通过两个动态等效能态之间的耦合增强了极化率,从而改善了MPB附近的压电和铁电性能。BS-PT(x=0.64)的陶瓷具有最佳的压电和铁电性能:d33=450 pC/N,kp=62%,Pr=38μC/cm2,Ec=22.7 kV/cm,居里温度Tc保持在430°C,同时具有非常良好的温度稳定性,样品的退极化温度达到370°C,是高温压电应用的理想材料。利用传统的固相反应方法,设计并合成了一系列用于高温驱动的准同型相界附近(MPB)的BS-xPT-0.025PCN(x=0.58~0.64)高温压电陶瓷,系统地研究了相结构、形貌、介电、压电和铁电性能随PbTiO3含量的变化。X射线衍射(XRD)结果表明,随着PbTiO3含量的增加,BS-xPT-PCN陶瓷的相结构由三方相逐渐向四方相转变。结合介电性能、压电性能和铁电性能,发现BS-x PT-PCN陶瓷的MPB位于x=0.62。在MPB附近存在单斜相和四方相共存,MPB附近的BS-xPT-PCN压电陶瓷的压电常数d33、机电耦合系数kp、居里温度Tc、剩余极化强度分别为508 pC/N、56%、401℃和40μC/cm2,这表明BS-xPT-PCN陶瓷具有优异的压电性能,并且具有较高Tc。此外,改性的BS-xPT-PCN陶瓷降低了纯BS-PT体系中昂贵的Sc2O3的消耗。BS-xPT-PCN陶瓷的顺电-铁电相转变的介电峰出现频率弥散,温度与频率符合V-F关系。高温下BS-xPT-0.025PCN压电陶瓷具有良好的温度稳定性,对x=0.62组分的样品进行变温XRD测试表明,单斜相和四方相良好的热稳定性使得MPB组分的样品获得高的退极化温度。研究了(0.95-x)BiScO3-xPbTiO3-0.05Pb(Yb1/2Nb1/2)O3陶瓷的相结构、介电性能、铁电性能和压电性能。结果表明,x的增加三方相和四方相之间出现了单斜相,从而大大增强了压电性能。PYN的加入使MPB小幅移动至x=0.60附近,当x=0.60时电学性能最佳:d33=392 pC/N,kp=53%,Pr=38μC/cm2,Ec=20.8 kV/cm,εrmax=30266,tanδ=0.0375,同时居里温度Tc保持在392℃。BS-xPT-PYN陶瓷的介电温谱显示高温顺电-铁电转变出现弛豫体行为,温度与频率遵循V-F关系。随着PT含量的增加,体系弛豫体行为逐渐减弱。材料的居里温度呈现线性升高的趋势。相比于纯BS-PT陶瓷,性能虽然有所降低,但是减少了Sc2O3的消耗,生产成本得到降低,具有大规模生产的潜力。BS-xPT-0.05PYN压电陶瓷是高温环境应用中的理想压电材料之一。
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