【摘 要】
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铋层状无铅压电陶瓷因其具有良好的高温度稳定性和一定的压电性能,获得了越来越多的关注,在油井勘探、航空航天、核能发电等高温恶劣环境下有着很好的应用前景。本论文选取具有代表性的4层铋层状结构压电陶瓷Na0.5Bi4.5Ti4O15（NBT）作为研究对象,采取固相反应法制备了（1-x）Na0.5Bi4.3Er0.2Ti4O15-x K0.5Na0.5Nb O3（x=0,0.05,0.1,0.15,0.2
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铋层状无铅压电陶瓷因其具有良好的高温度稳定性和一定的压电性能,获得了越来越多的关注,在油井勘探、航空航天、核能发电等高温恶劣环境下有着很好的应用前景。本论文选取具有代表性的4层铋层状结构压电陶瓷Na0.5Bi4.5Ti4O15（NBT）作为研究对象,采取固相反应法制备了（1-x）Na0.5Bi4.3Er0.2Ti4O15-x K0.5Na0.5Nb O3（x=0,0.05,0.1,0.15,0.2）陶瓷和Na0.5Bi4.46Ce0.04Ti4-xCoxOy（x=0,0.01,0.02,0.03,0.04,0.05）陶瓷,结合Rieteveld结构精修,系统性地研究了其结构与性能之间的变化规律。主要研究内容如下:首先研究了铋层状陶瓷的晶体结构,探究其晶胞参数、晶胞体积以及原子键长对其性能的影响。本文选用结构精修软件GSAS,对Na0.5Bi4.5Ti4O15基陶瓷进行Rietveld全谱拟合,得到晶体结构参数,探索掺杂对陶瓷晶体结构的影响以及内部微观结构变化和外部性能之间的关系。其次向A位掺定量Er的NBT基陶瓷中尝试性地引入高压电活性的钙钛矿结构K0.5Na0.5Nb O3,采取固相反应法制备了（1-x）Na0.5Bi4.3Er0.2Ti4O15-x K0.5Na0.5Nb O3（x=0,0.05,0.1,0.15,0.2）陶瓷。XRD衍射谱表明K0.5Na0.5Nb O3的引入并没有改变单一Na0.5Bi4.5Ti4O15铋层状相结构。随后对衍射数据进行Rietveld全谱拟合,得到样品的晶体结构参数,探究K0.5Na0.5Nb O3的引入对Na0.5Bi4.5Ti4O15结构的影响及其与电学性能之间的联系。实验结果发现,样品晶格畸变指数b/a随着K0.5Na0.5Nb O3含量的增加而减小,导致晶体结构对称性提高,同时样品的阻抗值减小,极化时易击穿,导致其铁电性能下降、压电性能提升不大。此外,介电温谱显示适量的K0.5Na0.5Nb O3含量可以有效降低样品的介电损耗（x=0.1,tanδ=0.00447）,提高了NBT陶瓷介电性能热稳定性。最后制备了A位掺定量Ce、B位Co变化的了Na0.5Bi4.46Ce0.04Ti4-xCoxOy（x=0,0.01,0.02,0.03,0.04,0.05）陶瓷,并系统性研究了Ce、Co共掺对其微观结构与电学性能的影响。实验结果表明所有的陶瓷样品均是单一的Na0.5Bi4.5Ti4O15相结构,随着x的增大,样品的晶胞参数、晶胞体积、B-O键长度以及B-O八面体体积都减小。研究发现,Co3+取代Ti4+后会形成缺陷偶极子对(Co’Ti-（?）)?,促进极化效果,提高其铁电压电性能。当x=0.2时,其综合性能最好,晶粒尺寸适中且均匀,压电系数d33=22p C/N,剩余极化强度2Pr=2.97（?）C/cm2,居里温度Tc=686℃,最小的介电损耗tanδ=0.00582,具有很高的应用潜力。
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