Na0.5Bi0.5TiO3基无铅压电陶瓷的组分、结构设计与压电性能温度稳定性研究摘要
钛酸铋钠基压电陶瓷由于具有较高的剩余极化强度(Pr~38μC/cm~2)和居里温度(Tm~300℃)被认为是最有可能取代锆钛酸铅(PZT)等铅基材料的压电陶瓷之一而被广泛研究。然而,相比较于传统的铅基材料其性能仍然存在一定差距,如矫顽场较高(Ec~73 k V/cm),不易极化,退极化温度(Td)低等缺点,极大地限制了材料的应用。尤其是较低的Td极大地束缚了材料在高温领域的使用,如何进一步提高该体系陶瓷的温度稳定性,研究出更贴近实用性的材料,已经成为广大研究者不懈追求的目标。但是,目前来说,大部分工作者的研究集中在通过不同离子掺杂,探索该体系陶瓷在不同领域的综合性能,却忽视了对最基本的压电性能的研究,导致该材料的商用化始终收效甚微。针对这一问题,本文以提高退极化温度为切入点,采用多种不同的方法,从组成、结构和性能三重角度进行研究,尝试提高该体系陶瓷压电性能的温度稳定性,以期获得同时具有较高压电常数和良好温度稳定性的钛酸铋钠基无铅压电陶瓷。研究内容共分为以下三个部分:(1)采用传统固相法制备出一系列A位阳离子缺位的(Na Bi)xBa0.06TiO3陶瓷(简写为NxBxT-6BT),系统地研究了Na+和Bi3+的缺失对材料结构和压电性能的影响。当0.32≤x≤0.47时陶瓷位于由单斜相(Cc)和四方相(P4bm)构成的准同型相界区域内,随着Na+和Bi3+含量的减少,单斜相的相含量由原本的65.68%减至35.24%,Td明显增加(由90℃增至160℃),其中N0.32B0.32T-6BT陶瓷的d33在160℃时仍有23 p C/N,表明Na+和Bi3+的缺失可以明显提高退极化温度,扩大材料的应用范围,成功通过组分调控(非化学计量)的方法,制备出具有良好温度稳定性的无铅压电材料。(2)采用固相法将纳米TiO2引入0.94Na1/2Bi1/2TiO3-0.06BaTiO3(简称NBT-6BT)钙钛矿结构压电陶瓷晶界中,成功制备出NBT-6BT:xTiO2(x=0,0.05,0.1,0.2,0.3)0-3型复合结构陶瓷,并系统地研究了掺杂TiO2对陶瓷的结构及压电性能的影响。实验结果表明,部分TiO2进入晶格内部造成陶瓷单斜相含量减少,晶体对称性提高;随着TiO2掺杂量的增加,NBT-6BT陶瓷的退极化温度明显提高。对于NBT-6BT:0.1TiO2样品,在保持一定压电常数(69 p C/N)的前提下,陶瓷的退极化温度相比纯NBT-6BT提升约88%,此时介电损耗tanδ=0.044,表明该材料是一种适用于更高温度区间的新型无铅压电陶瓷材料。(3)采用固相法制备了NBT-0.2KBT:xZnO(x=0,0.1,0.2,0.3,0.4)0-3型复合陶瓷,通过XRD、SEM、EDS等技术对该陶瓷结构进行了表征,并测试了其介电性能、压电性能,结果表明:掺杂的Zn O成功进入晶界处与NBT-0.2KBT母相构成0-3复合结构;掺入Zn O之后损耗的介电反常峰消失,介电图的测试表明掺杂Zn O能明显抑制退极化程度,有效提高Td,并且当x=0.2时样品的Td达到了140℃,相较纯的NBT-0.2KBT陶瓷提升约75%,表明构建0-3复合陶瓷的方法同样适用于NBT-KBT基陶瓷,另外,NBT-0.2KBT:0.2Zn O材料也是一种潜在的适用于较高温度下的新型无铅压电陶瓷。
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