【摘 要】
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压电陶瓷可以实现机械能与电能的相互转化,广泛用于各种工业和民用产品当中。但是在能量转换中不可避免的存在能量损耗,不仅导致能量转换效率较低,而且由于能量损耗常转换成热量的形式,增加了器件失效的风险。这种现象在高功率器件中更为严重,因此在压电陶瓷中经常通过受主掺杂引入缺陷偶极子,来提升机械品质因子和降低介电损耗,以达到降低能量损耗的目的。然而缺陷偶极子对压电性能影响的相关机制仍然存在争议。因此,制备缺
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压电陶瓷可以实现机械能与电能的相互转化,广泛用于各种工业和民用产品当中。但是在能量转换中不可避免的存在能量损耗,不仅导致能量转换效率较低,而且由于能量损耗常转换成热量的形式,增加了器件失效的风险。这种现象在高功率器件中更为严重,因此在压电陶瓷中经常通过受主掺杂引入缺陷偶极子,来提升机械品质因子和降低介电损耗,以达到降低能量损耗的目的。然而缺陷偶极子对压电性能影响的相关机制仍然存在争议。因此,制备缺陷偶极子与不同铁电畴相互作用的铁电陶瓷对于深入研究缺陷结构与压电性能的内在关联具有重要意义。针对上述问题,本文选取BaTiO3基弛豫铁电体为研究对象,利用传统固相法,通过在不同BaTiO3弛豫铁电基体中引入缺陷偶极子,结合X射线衍射（XRD）、拉曼光谱（Raman）、电子顺磁共振（EPR）、不同温度/频率下的介电性能以及铁电压电性能测试,系统研究了缺陷偶极子与短程铁电畴相互作用对于压电性能的影响。具体结果如下:（1）不同弛豫程度的铁电陶瓷中缺陷偶极子与压电性能之间的关联。在Mn O2掺杂的BaTiO3陶瓷中引入Bi(Al0.5Fe0.5)O3（BAF）使得晶体结构从四方相向赝立方相转变。由于不同半径和价态的阳离子引起的化学无序打破了长程铁电畴,促进了局域场和极性纳米区的形成。随着BAF含量增加弛豫程度逐渐增强,电滞回线从钉扎型转变成偏移型,最终转变成双电滞回线。相结构的改变导致氧空位的迁移能降低,使得缺陷偶极子容易在交流电场循环下转向。随着电场循环次数增加,内偏场不断增大,最大应变也不断增大。（2）受主掺杂弛豫铁电体的压电性能及其缺陷偶极子对弛豫铁电体的场致相变的影响。在受主掺杂弛豫铁电体出现双电滞回线的基础上,通过以0.92BT-0.08BAF为基体,改变Mn O2的掺杂量,制备出了0.92BaTiO3-0.08Bi(Fe0.5Al0.5)O3-x Mn O2（BBTAF-x Mn O2）,研究缺陷偶极子与极性纳米区的耦合作用。Mn O2的掺杂并未改变晶体结构,仍然为赝立方相。随着Mn O2掺杂量的提高,陶瓷弛豫程度增强,并且居里温度由53℃上升至73℃。在Mn O2掺杂量为0.005时表现为正常弛豫铁电体的细长的单电滞回线、近矩形的电流密度曲线和芽状的电致应变曲线。随掺杂量提升,BBTAF-x Mn O2系列陶瓷的单电滞回线逐渐向双电滞回线演变,并且在电流密度曲线中出现明显的四电流峰。0.02Mn O2掺杂的样品中退火后出现明显的双蝴蝶的双极电致应变曲线,以及单极负应变。通过原位电场测试发现,其中0.005组分中在测试电场范围内没有出现明显的场致相变,而0.02组分中出现明显的场致相变。因此,造成双蝴蝶曲线和双电滞回线是由于在弛豫铁电体中引入缺陷偶极子产生了场致相变引起。（3）受主掺杂弛豫铁电体的压电性能和结构关联研究。通过改变铋基氧化物的B位离子,获得不同BO6八面体畸变的弛豫铁电体陶瓷BaTiO3-0.02Mn O2-x Bi(Nb0.5Fe0.5)O3（BTM-x BNF）。在BNF掺杂量为0.04时,四方相特征峰消失,晶体结构转变成赝立方相。在BNF掺杂量为0.02时为钉扎型电滞回线,0.04时表现为双电滞回线,而在掺杂量进一步提高时变成近线性的电滞回线,这是由于BNF掺杂使得弛豫程度不断增强引起。在BTM-0.04BNF陶瓷中也出现明显的四电流峰和双电滞回线,但是电流翻转峰位置与BBTAF-0.02Mn不同。这是由于改变了铋基氧化物的B位离子导致获得的弛豫铁电体的晶格参数和极性纳米区的极性改变导致。同时BTM-0.04BNF退火以后的应变大小和应变翻转位置也与BBTAF-0.02Mn不同。
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