【摘 要】
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钙钛矿结构BiScO3-PbTiO3压电固溶体在准同型相界处（MPB）具有较高的居里温度和优良的介电、铁电、压电性能,在压电器件领域有着广阔的应用前景。但是,BS-PT陶瓷介电损耗tanδ大,机械品质因子Qm低,限制了其在大功率压电器件中的应用。在实际应用中,可以通过调控压电元件的厚度来控制其工作频率,不同应用场景对器件的工作频率要求不尽相同。本文采用固相反应工艺制备了0.365BiScO3-0.
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钙钛矿结构BiScO3-PbTiO3压电固溶体在准同型相界处（MPB）具有较高的居里温度和优良的介电、铁电、压电性能,在压电器件领域有着广阔的应用前景。但是,BS-PT陶瓷介电损耗tanδ大,机械品质因子Qm低,限制了其在大功率压电器件中的应用。在实际应用中,可以通过调控压电元件的厚度来控制其工作频率,不同应用场景对器件的工作频率要求不尽相同。本文采用固相反应工艺制备了0.365BiScO3-0.635PbTiO3陶瓷,研究了其厚度效应,分析了其相结构和电畴的变化。进一步在BS-PT陶瓷中引入Mn/Fe/Ni/Co元素,比较了不同元素掺杂BS-PT陶瓷的结构和性能,研究了Co元素掺杂量对BS-PT材料结构和性能的影响,并分析了导电机制。MPB组分BS-0.635PT陶瓷的介电常数εr、介电损耗tanδ、居里温度Tc、压电系数d33和机械品质因子Qm分别为1258、5.0%、421 oC、458 p C/N和23。随着BS-0.635PT陶瓷厚度的增加,陶瓷的四方相含量降低、电场作用下畴翻转能力增大,陶瓷的介电和压电性能提高。当厚度从0.2 mm增加到1.0 mm,BS-0.635PT陶瓷的εr和d33随厚度增加而增大,然后趋于稳定（>1.0 mm）,εr从1240增大到1720,增大了约39%,d33从330 p C/N增大到450 p C/N,增大了约36%。厚度振动的BS-0.635PT陶瓷振子的谐振频率范围随厚度增加从9.3 MHz（0.2 mm）减小到2.0 MHz（1.0 mm）。Mn/Fe/Ni/Co分别掺杂BS-PT,陶瓷晶粒尺寸变化很大,分别为8.73、1.26、16.93和17.12μm。Mn/Ni掺杂BS-PT陶瓷具有较小的介电损耗和较高的居里温度,tanδ和Tc分别为0.95%、0.86%和439 oC、437 oC,但其d33和Qm较小,分别为195和187 p C/N以及71和78。Fe掺杂BS-PT陶瓷具有较高的居里温度和较好的压电性能,但其tanδ较大,Qm较小,Tc、d33、tanδ、Qm分别为440 oC、290 p C/N、3.8%和21。Co掺杂BS-PT陶瓷,随Co掺杂量的增加,四方相增多,四方畸变度和晶粒尺寸先增大后减小,介电损耗先减小后增大,机械品质因子增大。0.365BiScO3-0.635Pb(Ti1-xCox)O3（x=0.01、0.02、0.03和0.04）陶瓷的压电系数和居里温度无明显变化。0.365BiScO3-0.635Pb(Ti0.97Co0.03)O3陶瓷具有较为优越的综合性能,tanδ、Tc、d33和Qm分别为3.0%、437 oC、240 p C/N和151。阻抗分析表明,Co掺杂BS-PT陶瓷具有负温度系数特性,其宏观电阻主要来自于晶粒的贡献,陶瓷中导电载流子主要是氧空位。
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