铌镁酸钡掺杂对钛酸钡钙基无铅压电陶瓷结构及性能的影响

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压电陶瓷具有将电能与机械能相互转化的能力,已经在医疗,汽车,数码通讯乃至公共安全等方面成为人类不可或缺的一种功能性陶瓷。弛豫铁电体由于其低损耗,高能量存储和大的电致伸缩,常常作为电容器以及传感器等元件。Pb(Mg1/3Nb2/3)O3(PMN)是最典型的弛豫铁电体,常常被用来掺杂修饰其他铁电体来改善性能,比如(1-x)Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-x Pb Ti O3。目前综合性能最好的压电陶瓷仍是以铅基陶瓷为主。近年来,由于全球环保意识的增强,铅基陶瓷在制造生产,使用到废弃的过程中都会对环境以及人的健康都有很大的影响。因此,发展无铅的压电陶瓷成为时代需求。Ba(Mg1/3Nb2/3)O3(BMN)作为一种无铅弛豫体,可以用来修饰其他压电陶瓷来提升性能。本文主要是以BaTiO3为基体,在其基础上先后掺杂Ca2+和BMN,采用传统固相烧结法制备不同比例的Ba(1-x%)Cax%Ti O3(BCTx)基压电陶瓷,利用X射线衍射仪(XRD),扫描电子显微镜(SEM),介电温谱测试仪,电滞回线测试仪以及准静态压电系数测试仪等设备从相结构,微观结构,介电性能,铁电性能,压电性能以及储能性能多个角度来研究铌镁酸钡掺杂对钛酸钡钙基无铅压电陶瓷的结构及性能的影响。得出如下结果:首先,选用1300℃,1350℃和1400℃三个烧结温度来烧结BCTx陶瓷(x=4,6,8和10),烧结温度对陶瓷的晶粒生长以及密度的提高具有重要的影响,进而影响陶瓷的介电、铁电等性能。1400℃烧结的陶瓷的晶粒明显增大,且介电稳定性也得到了提高。其次,选用1400℃,3小时的烧结工艺烧结BCTx体系陶瓷(x=4~25),Ca2+的引入可以明显的抑制晶粒的生长,并对电学性能产生明显影响,适量的Ca2+掺杂可以降低居里温度,提高介电损耗的频率依赖性,增加剩余极化和矫顽场,降低BCTx的压电性能。25%掺杂量使得Ca2+超过固溶极限,从而使得微观结构出现缺陷,电学性能都出现不同程度的降低。最后,选用BCT20作为基体,在其中引入弛豫铁电体BMN,形成新的固溶体(1-x%)Ba80%Ca20%Ti O3-x%Ba(Mg1/3Nb2/3)O3(BCT20-x%BMN)(x=0~8)。研究结果表明,BMN的掺杂成功引入弛豫性能。其中陶瓷的相结构从四方相逐渐向立方相转变,进而引起的介电性能的明显变化,包括居里温度降低,室温介电常数大幅度增加,频率色散增加,扩散系数提高等。另外,铁电性能随着BMN的引入也发生了明显的变化,室温时的电滞回线明显变得“窄细”,储能性能在x=6时达到最大值。通过测量不同温度下的电滞回线得出,BMN的引入可以提高储能性能的稳定性,其中BCT20-6%BMN和BCT20-7%BMN在20℃~150℃范围内的储能效率(η%)变化较小,且整体保持在80%以上,表现出最佳的储能效率温度稳定性。
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