掺杂改性无铅高温压电陶瓷BF-BT的制备与表征

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BiFeO3-BaTiO3(BF-BT)固溶体是一种具有较高居里温度和多铁性的环境友好型压电材料,是目前国际上无铅压电材料领域的研究热点。未改性BF-BT固溶体相界的物相结构和组分范围报道结果众多,且漏导较大,介电、铁电和压电性能鲜有表征;改性后BF-BT陶瓷的绝缘性能显著提高,然而介电损耗和矫顽场强依然较大,铁电、压电性能有待提高,同时高温介电、铁电和压电性能的研究较少。本文采用传统固相烧结法制备钙钛矿型结构BF-BT基无铅压电陶瓷,确定了BF-BT固溶体的相界组分范围,研究了Mn添加、氧气氛烧结、淬火和Nb掺杂等对相界组分BF-BT陶瓷介电、铁电及压电性能的影响。主要研究结果如下:(1)、BF含量对xBF-(1-x)BT(0.67≤x≤0.75)体系压电陶瓷晶体结构、微观形貌以及介电、铁电和压电性能有明显影响。XRD结果表明,x<0.69时,陶瓷晶体结构属于赝立方结构;0.69≤x≤0.73时,陶瓷属于三方相与赝立方相共存结构,属于相界范围;x>0.73时,陶瓷属于三方相结构。随BF含量的逐渐增加,陶瓷的晶粒尺寸从5μm(x=0.67)增大到8μm(x=0.75),居里温度TC从470 oC(x=0.67)升高到590 oC(x=0.75),压电系数先增大后减小,陶瓷位于相界内(x=0.71)时,压电系数d33达到最大的75 pC/N。(2)、Mn添加未明显改变0.71BF-0.29BT陶瓷的晶体结构,但Mn能够促进烧结。随着Mn添加量的增加,陶瓷晶粒逐渐增大,介电损耗先减小后增大,铁电和压电性能先提高后降低。当Mn添加量为1.2mol%时,陶瓷具有最好的综合性能,其介电损耗tanδ、居里温度TC、退极化温度Td、剩余极化强度Pr、单向场致应变Smax分别为0.042,506 oC,500 oC,30.4μC/cm2,0.27%。200 oC,40 kV/cm电场强度下,动态压电系数d*33达到525 pm/V,最大应变值与应变滞回值分别为0.21%,28%。(3)、氧气氛烧结和淬火工艺对陶瓷的晶体结构影响较小,氧气氛烧结和淬火后的晶粒增大,大小更均一,陶瓷的介电损耗减小,绝缘性升高,铁电压电性能得到提高。氧气烧结制备的0.71BF-0.29BT-0mol%Mn陶瓷在300oC下电阻率为6x105Ω.cm,是空气烧结样品的11倍;0.71BF-0.29BT-1.2mol%Mn样品在300oC下电阻率达到了3.15x106Ω.cm;0.71BF-0.29BT-0.5mol%Mn陶瓷样品的单相场致应变Smax从0.09%增加到0.22%,动态压电系数d*33从119 pm/V增大到284pm/V;压电系数从82 pC/N增大到152 pC/N。淬火后0.71BF-0.29BT-0.3mol%Mn陶瓷样品500oC下的介电损耗仅为0.28是随炉冷却样品的1/5.5,500oC下电阻率为随炉冷却样品的2倍;应变从0.073%增大到0.293%,压电系数从75 pC/N增大到191 pC/N。瑞利定律分析结果表明,淬火过程提高了非本征部分对陶瓷介电和压电响应的贡献。(4)、Nb部分取代0.71BF-0.29BT-1.2mol%Mn陶瓷B位的Fe和Ti时(0.71BNxF-0.29BT,0.71BF-0.29BNxT),对固溶体的结果和性能的影响是一致的。Nb掺杂改变了陶瓷的晶体结构,由三方相与赝立方相共存的晶体结构转变为单一的赝立方结构。随着Nb掺入量的增加,陶瓷晶粒尺寸减小,介电损耗均增大,铁电和压电性能恶化。
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