掺杂改性对BCZT基无铅压电陶瓷组织和性能的影响

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压电陶瓷材料因具有机械能—电能相互转化的性能,被广泛地应用在航空航天、医疗、生活艺术等各领域。无铅压电陶瓷由于不含铅、不污染环境,符合人类社会可持续发展的要求,因而备受产业界和研究人员的青睐。为了提高BCZT压电陶瓷的居里温度Tc,获得电性能更优的压电陶瓷,本文采用掺杂Sb2O3、Bi2O3以及BKT材料对BCZT进行改性研究,运用SEM、XRD、拉曼检测、TEM、压电性能测试等手段研究了离子掺杂对BCZT基无铅压电陶瓷显微组织、相结构和电学性能的影响,主要研究结果如下:  (1)针对(Ba0.85Ca0.15)(Ti0.9Zr0.08Sn0.02)O3-xSb2O3(x=0,0.02,0.04,0.06,0.08wt.%)体系,探讨了不同Sb3+掺杂量对BCZTS陶瓷显微物相结构、组织形貌和电性能的影响。结果表明,不同掺杂量得到的组分均表现出纯的钙钛矿结构,Sb3+完全固溶于BCZTS陶瓷主晶相结构中。未掺杂Sb3+的居里温度为78℃[1],掺杂Sb3+后的最高居里温度为102℃。当x=0.04 wt.%时,BCZTS-xSb陶瓷拥有最优的电学性能:d33=392pC/N,Kp=61%,εr~4830,tanδ~2.44%,Tc=102℃。  (2)针对Ba0.85Ca0.15Zr0.07Ti0.93O3-xBi2O3(x=0,0.02,0.04,0.06wt.%)体系,探讨了不同Bi3+掺杂量对BCZT陶瓷相结构、压电性能和介电性能等的影响。结果表明,陶瓷试样的不同组分都生成了纯的钙钛矿结构,且随着Bi3+掺杂量的增加,陶瓷试样的相结构没有较大变化。当x=0.06wt.%时,陶瓷具有最好的介电性能,εr=5100,tanδ=1.2%。当x=0wt.%时,陶瓷试样拥有最好的压电性能,d33=386pC/N, Kp=45%,当x=0.02wt.%时,居里温度最高,Tc=103℃。  (3)对于(1-x)(Ba0.85Ca0.15)(Ti0.93Zr0.07)O3-x(Bi0.5K0.5)TiO3(x=0.02,0.04,0.06,0.08 mol)体系,研究了不同BKT掺杂量对BCZT陶瓷显微组织、相结构和电学性能的影响。结果表明,掺杂BKT后的陶瓷均形成了纯的钙钛矿结构,且当 x=0.04mol时,试样显微组织最均匀,致密度最高。随着x的变大,d33和Kp首先都提升随后有所降低。当x=0.04 mol时,(1-x)BCZT-xBKT陶瓷拥有最佳的电学性能:d33=342 pC/N,Kp=57%,εr~3319,tanδ~2.32%,Tc=103℃。
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