【摘 要】
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压电陶瓷是一种重要的换能材料,在电子信息、机电换能、通信等领域有着广泛的应用,但目前应用最广泛的压电陶瓷中含有铅元素,会给人类健康和生态环境带来巨大危害,因而需要研发高性能无铅压电陶瓷来取代铅基压电陶瓷的应用。Bi0.5Na0.5Ti O3（BNT）基无铅压电陶瓷具有优异的铁电性能,但存在矫顽场大、电导率高等缺点,使其难以充分极化,表现出低的压电性能;虽然通过在BNT中固溶Ba Ti O3（BT）
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压电陶瓷是一种重要的换能材料,在电子信息、机电换能、通信等领域有着广泛的应用,但目前应用最广泛的压电陶瓷中含有铅元素,会给人类健康和生态环境带来巨大危害,因而需要研发高性能无铅压电陶瓷来取代铅基压电陶瓷的应用。Bi0.5Na0.5Ti O3（BNT）基无铅压电陶瓷具有优异的铁电性能,但存在矫顽场大、电导率高等缺点,使其难以充分极化,表现出低的压电性能;虽然通过在BNT中固溶Ba Ti O3（BT）形成BNT-BT固溶体,能够在一定程度上提高其压电性能,但是依然难以满足实际应用的需求。因此,本文以BNT-BT基压电陶瓷为研究对象,对其电学性能进行优化研究。具体研究内容如下:（1）BNT-BT压电陶瓷中的Bi元素在烧结过程中容易挥发,严重影响BNT-BT压电陶瓷电学性能。基于此,采用固相法制备0.94Bi0.5+xNa0.5Ti O3-0.06Ba Ti O3(B0.5+xNT-BT)压电陶瓷,研究Bi过量和不同烧结温度对其性能的影响。结果表明,当Bi过量1%,烧结温度为1175℃时,B0.5+xNT-BT陶瓷的电学性能最佳,其剩余极化强度、最大极化强度和压电常数达到最大值,分别为44.17μC/cm~2、49.58μC/cm~2和180 p C/N。（2）采用SnO2对BNT-BT体系进行掺杂改性,利用固相法制备0.94Bi0.5Na0.5Ti O3-0.06Ba SnxTi1-xO3(BNT-BSxT1-x)压电陶瓷,研究SnO2掺杂以及不同烧结温度对其电学性能的影响。结果表明,当x=0.1时,BNT-BSxT1-x陶瓷的电学性能较好,其剩余极化强度、最大极化强度、压电常数和应变达到最大值,分别为42.14μC/cm~2、47.77μC/cm~2、175 p C/N和0.29%。烧结温度在1150～1200℃范围内,BNT-BS0.1T0.9陶瓷的铁电性能没有显著改变,并且介电性能具有良好的稳定性;当烧结温度为1200℃时,其压电性能最佳,压电常数高达199 p C/N。（3）以SrTiO3（ST）作为第三组元,采用固相法制备（1-x）(0.94Bi0.5Na0.5Ti O3-0.06Ba Ti O3)-x SrTiO3（（1-x）（BNT-BT）-x ST）压电陶瓷,研究ST掺杂以及烧结温度对其电学性能的影响。结果表明,微量ST掺杂能提高BNT-BT陶瓷的电学性能。当x=0.02时,其压电常数和应变达到最大值,分别为192 p C/N和0.38%;当x=0.18时,其介电性能优异,在频率为1 k Hz下,介电常数达到最大值2420。烧结温度在1150～1175℃范围内,0.98（BNT-BT）-0.02ST陶瓷的铁电性能没有发生显著改变,并且介电性能具有较好的稳定性;在烧结温度为1200℃时,其压电性能最佳,压电常数高达200 p C/N。（4）将BNT-BT基陶瓷材料的实验数据整理,设计并建立BNT-BT基材料人工神经网络专家系统,通过对BNT-BT-ST材料铁电性能实验数据训练,获得了最佳网络训练参数是:学习速率为0.4,动量因子为0.6,隐含层数为1,隐含层节点数为9。通过预测功能可以实现对BNT-BT-ST材料新数据的预测,其预测结果与实验值比较接近,误差在可接受的范围内,可以准确预测出BNT-BT-ST材料的铁电性能,对实验具有一定的参考和借鉴价值。
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