钛酸铋钠基无铅压电陶瓷的掺杂改性研究

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Bi0.5Na0.5TiO3(简称BNT)陶瓷由于具有良好的压电性、高居里温度和烧结过程中无毒、易控制性等优点而倍受青睐。但纯的BNT陶瓷矫顽场强大、不易极化、且难以烧结,因此要想其在工业上得到广泛的应用,必须要对它进行改性研究来获得有一定实用价值的陶瓷材料。目前对它的改性研究主要表现在:制备工艺改性、取代改性、添加物改性和引入具有其它二元或多元相结构的铁电或反铁电相与之形成固溶体。本论文主要从掺杂改性方面对Bi0.5Na0.5TiO3-BaTiO3(简称BNTBT)基陶瓷进行研究。通过在不同的晶格位置掺杂Li、K、Mg、Zr等元素进行改性研究。研究了掺杂元素对陶瓷结构和性能的影响,得到了一些电学性能较好的BNT系列陶瓷。首先采用固相烧结法,在0.94Na0.5Bi0.5TiO3-0.06BaTiO3(NBTBT)二元无铅压电陶瓷体系中添加MgO进行改性研究。运用X射线衍射、扫描电子显微分析等分析测试手段对掺杂陶瓷微观结构和形貌及其变化规律进行表征与研究;运用精密数字电桥、d33测试仪、阻抗分析仪等仪器对样品的电学性能进行了测量和分析,并讨论了性能和结构之间的相互关系。MgO添加NBTBT体系的测试和分析表明,适量的MgO添加有助于样品的烧结致密和晶粒的生长,这样可有效提高陶瓷体内有效电荷密度,宏观上表现出介电常数的增大。Mg主要以+2价进入晶格A位,表现出较强的软性掺杂特征和晶粒尺寸效应,最佳的性能在MgO添加量为0.3wt%处获得:压电常数d33为127pC/N,平面机电偶合系数kp为0.271,介电常数εr为919.96。本文还对用Zr取代NBTBT陶瓷中的Ti进行了研究。研究表明,Zr在一定范围内取代样品中的Ti后,由于Zr4+的半径与Ti4+的半径差异,引起了BNTBT陶瓷晶格结构的畸变。这样在极化处理时有利于自发极化作90。的转向,压电性能就有所提高。同时研究发现,陶瓷的介电常数随着Zr取代量的增加而增加,最高可达1395.141。但Zr取代BNTBT陶瓷中的Ti后会降低陶瓷的居里温度。本论文还对Bi0.5(Na0.7K0.25Li0.05)TiO3-Ba(Zr0.05Ti0.95)O3(简称BNKLT-BZT)二元体系陶瓷进行了具体的研究。通过X射线衍射分析技术和压电性能测试,研究组成与晶体结构、陶瓷的压电性能的关系,得出BNKLT-BZT陶瓷在x=0.006~0.01范围对应着材料的准同型相界(MPB)。在x=0.010时d33达到极大值136pC/N,而Kp在x=0.08时达到极大值23.8%。同时,通过测试陶瓷的介电性能与组成和温度的关系,发现该体系在准同型相界范围内,不但有优良电学性能,还使居里温区有明显的延宽。这些都对今后NBT基无铅压电材料的开发与研究具有极强的指导意义。
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