【摘 要】
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铋层状压电陶瓷因具有较高的居里温度、良好的抗疲劳性以及对环境友好等优点,被广泛应用在高温工作环境中。但是其极化受层状结构的影响,导致压电活性较差,限制了在实际工作中的应用范围。因此,研制具有高居里温度和良好压电性能的铋层状压电陶瓷材料是十分必要的。本文选取具有高自发极化强度的BaBi4Ti4O15-Bi4Ti3O12（BBT-BIT）共生铋层状压电陶瓷为研究体系,用复合离子掺杂手段对其进行改性,以
【基金项目】
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国家自然科学基金（52062018,51862016,51762024,52162003）； 江西省自然科学基金（20192BAB20600,20192BAB212002）； 江西省教育厅项目基金（GJJ190712,GJJ190699）；
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铋层状压电陶瓷因具有较高的居里温度、良好的抗疲劳性以及对环境友好等优点,被广泛应用在高温工作环境中。但是其极化受层状结构的影响,导致压电活性较差,限制了在实际工作中的应用范围。因此,研制具有高居里温度和良好压电性能的铋层状压电陶瓷材料是十分必要的。本文选取具有高自发极化强度的BaBi4Ti4O15-Bi4Ti3O12（BBT-BIT）共生铋层状压电陶瓷为研究体系,用复合离子掺杂手段对其进行改性,以期优化该体系的电学性能,从而满足高温条件下的应用。具体内容为如下三部分:（1）通过传统固相法合成了具有超晶格结构的BaBi8Ti7-x(Cu1/3Nb2/3)xO27(BBT-BIT-x(Cu1/3Nb2/3))共生陶瓷,探究了B位Cu/Nb共掺杂对其结构和电学性能的影响。结果表明,BBT-BIT-x(Cu1/3Nb2/3)陶瓷的电学性能得到了有效的改善。随着掺杂量x的增加,介电损耗先减小后增大,居里温度则逐渐增加（Tc:483℃～494℃）,压电常数和剩余极化强度都呈现出先增大后减小的趋势,当x=0.035时,压电常数由未掺杂的的6.8 pC/N提升到了18 pC/N,剩余极化强度Pr从原来的7.55μC/cm~2提升到了8.25μC/cm~2。此外,BBT-BIT-0.035(Cu1/3Nb2/3)陶瓷具有良好的热稳定性,在400℃/0.5h退火条件下,压电常数d33仍有14 pC/N,是起始值的82.4%,表明具有在较高温度环境下工作的能力。（2）采用传统固相法制备了A位Li/Ce共掺杂BaBi4Ti4O15-Bi4Ti3O12（BBT-BIT）压电陶瓷。结果表明,所有样品均为单一的正交相结构,且Li/Ce已成功扩散到BBT-BIT晶格中。当Li/Ce掺杂量在0.15-0.3范围时,能显著改善BBT-BIT陶瓷的电学性能,其中,压电常数d33从6.8 pC/N增加21.4 pC/N,居里温度Tc从483℃增加到540℃。并且,Ba0.85(Li0.5Ce0.5)0.3Bi8Ti7O27陶瓷综合电性能最优:d33=20.2 pC/N,Tc=540℃,tanδ=0.53%,Ea=1.13 eV,2Pr=10.5μC/cm~2。同时,在氧气氛下烧结的BBT-BIT-0.3(Li0.5Ce0.5)样品的电滞回线是不对称的,这可能是由Li/Ce共掺杂产生的缺陷引起的。在450℃下保温30 min,该样品的d33值仍有18.5 pC/N,是室温时的91.6%,表明该陶瓷具有良好的热稳定性。可见,Li/Ce共掺杂BBT-BIT共生压电陶瓷在高温应用方面具有一定潜力。（3）为进一步验证A位复合离子掺杂对陶瓷的压电常数和居里温度的影响,制备了Ba（1-x）(Na0.5Ce0.5)xBi8Ti7O27压电陶瓷。结果表明,Na/Ce共掺杂使BBT-BIT陶瓷的电学性能显著提高。当掺杂量x=0.3时,样品的压电常数d33为21.8 pC/N,居里温度Tc为541℃。同时,剩余极化强度2Pr从16.8μC/cm~2提高到20.2μC/cm~2,并且在450℃下保温30 min,压电常数d33仍有20.6 pC/N,表明该陶瓷样品具有良好的热稳定性。因此,Na/Ce共掺为BBT-BIT陶瓷提供了新的改性方案,对其实际应用具有积极作用。
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