【摘 要】
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含铅压电陶瓷如Pb（Zr,Ti）O3基是传统驱动器、传感器、换能器的核心部件。但是随着人们对环境保护的重视,压电陶瓷的无铅化是材料发展的必然需求。钙钛矿结构无铅压电陶瓷作为最有潜力取代传统铅基Pb（Zr,Ti）O3陶瓷的材料,而受到人们的广泛关注。本文以提升钙钛矿基无铅压电陶瓷的性能为目标,采用掺杂以及微观结构调控为措施,分别对钙钛矿结构Ba Ti O3、Na0.5Bi0.5Ti O3、K0.5N
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含铅压电陶瓷如Pb（Zr,Ti）O3基是传统驱动器、传感器、换能器的核心部件。但是随着人们对环境保护的重视,压电陶瓷的无铅化是材料发展的必然需求。钙钛矿结构无铅压电陶瓷作为最有潜力取代传统铅基Pb（Zr,Ti）O3陶瓷的材料,而受到人们的广泛关注。本文以提升钙钛矿基无铅压电陶瓷的性能为目标,采用掺杂以及微观结构调控为措施,分别对钙钛矿结构Ba Ti O3、Na0.5Bi0.5Ti O3、K0.5Na0.5Nb O3体系进行了研究。首先,使用Zn掺杂调控Ba0.85Ca0.15Zr0.1Ti0.9O3（BCZT）了三方/四方相组成,使得室温下BCZT陶瓷三方/四方共存,通过Zn2+调节BCZT陶瓷电畴形貌,可降低电畴宽度,进而增加了畴壁密度,从而增加了BCZT陶瓷的压电系数,d33可达603 p C/N。同时,通过拓扑化学法制备了片状Ba Ti O3模板,并以此作为模板,通过反应模板晶粒生长法（RTGG）制备了＜00l＞方向织构度高达95%的BCZT陶瓷,并对其RTGG织构化机理进行了详细分析,通过织构化作用,利用压电性能各向异性的特点,显著提高了BCZT陶瓷的压电性能,d33*可达719 pm/V,是随机取向BCZT陶瓷的1.57倍。其次,通过RTGG法利用片状Bi4Ti3O12模板,制备了织构度81%的＜00l＞织构的三元Na0.5Bi0.5Ti O3-K0.5Bi0.5Ti O3-Ba Ti O3（BNT-BKT-BT）陶瓷,由于织构化的贡献,使其d33可以达到314 p C/N,是未经过织构化陶瓷的近1.4倍。并且织构化BNT-BKT-BT陶瓷在低电场4 k V/mm作用下,相比随机分布BNT-BKT-BT陶瓷,其“电致相变”更容易发生,从而增强了TF-R附近的电致应变,应变可达0.41%,对应的等效压电系数d*33～1030 pm/V。最后,研究了Cu、Mn受主掺杂的K0.5Na0.5Nb O3（KNN）陶瓷,通过老化作用,使KNN-0.01Cu陶瓷内部产生缺陷偶极子,我们发现缺陷偶极子和KNN自身的自发极化存在耦合作用,并提出了解释机理及模型,认为KNN-0.01Cu陶瓷中增强的应变和极化强度不仅由于自发极化在电场下的转动,可能还受益于高极化率的缺陷偶极子在高电场作用下的转动及拉伸,因此,KNN-0.01Cu陶瓷可以获得较高的电致应变（0.16%-0.19%）,相比未掺杂KNN陶瓷提高了50%左右。紧接着,我们成功调控了Mn受主掺杂的KNN陶瓷中的Mn元素价态,进而调控了KNN-0.01Mn陶瓷中缺陷偶极子的种类,利用(Mn2+（?）-VO-)’的更大的极化强度,增强了PS和Pd之间的相互作用,从而显著增强了其应变性能,在氩气烧结的老化后的KNN-0.01Mn陶瓷其单极应变可达0.28%,对应d*33～800 pm/V,优于部分“硬性”PZT陶瓷。
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