钛酸铋钠基无铅铁电陶瓷的复合改性研究

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钛酸铋钠(Na0.5Bi0.5TiO3,简称NBT)是一种A位复合型钙钛矿铁电材料,室温下为三方结构,具有高居里温度、强铁电性、较好的机电耦合性能等特点,在压电传感器、压电马达、医学超声波换能器等领域具有广泛的应用。但NBT基材料的矫顽场较高(EC≈70kV/cm),不易极化,并且,200°C左右的热致退极化现象会导致其宏观的铁电性和压电性消失,使器件失效。另外,由于在退极化温度附近存在铁电相向弛豫相转变,当该相变温度降至室温以下时,陶瓷表现出“束腰”型的电滞回线,有利于获得大的电致伸缩性能。因此,本论文针对NBT基压电材料存在的退极化问题和电致伸缩现象,主要完成了如下工作:1.采用二步法固相工艺合成了0.8(Na0.5Bi0.5)TiO3:0.2ZnO复相陶瓷。研究表明,陶瓷具有三相共存的复合结构,其中第三相为NBT和ZnO反应生成的Zn2TiO4。介电和铁电响应随温度的变化规律表明,随着ZnO的加入,100°C附近的介电异常峰消失,并且直到135°C仍然保持饱和的铁电回线,表明ZnO的加入抑制了NBT的退极化行为。2.采用一步法固相工艺合成了(Na0.5Bi0.5)0.94Ba0.06Ti1-xZnxO3(0≤x≤0.06)陶瓷。研究表明,ZnO掺杂量在4.0 mol.%以下时,样品表现为纯的钙钛矿结构,超过4.0 mol.%时,体系中出现杂相Zn2TiO4。变温铁电、介电以及XRD测试均表明,与未掺杂样品相比,Zn2+取代B位提高了NBT-6BT的退极化温度。我们认为:Zn2+具有较大的离子极化强度,可以增加BO6八面体的偶极矩,增强了相邻偶极子的耦合作用,抑制了铁电相向弛豫相的转变,从而提高了NBT-6BT的退极化温度。3.采用一步法固相工艺合成了(1–x)(0.875Bi0.5Na0.5TiO3–0.125BaTiO3)–xBi(Mg0.5Ti0.5)O3(0≤x≤0.08)陶瓷。研究表明,BMT的加入,使0.875NBT-0.125BT的相结构由四方铁电相P4mm向弛豫相P4bm转化,并且降低了铁电相向弛豫相的转变温度。当BMT的加入量为4.0 mol.%,体系呈现P4mm铁电相和P4bm弛豫相共存的状态,且铁电-弛豫相转变温度降低至室温。这种两相共存的微观结构对于电致伸缩性能有明显的优化作用:在BMT含量为4.0 mol.%时,电致伸缩性能达到最优(最大应变Smax为0.30%,电致伸缩系数Q33为0.0254 m4/C2),且表现出良好的温度稳定性。
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