鈦酸鉍鈉基材料的電致應變與弛豫特性研究.pdf

1、鈦酸鉍鈉(Bi0.5Na0.5TiO3，BNT)基陶瓷是一類重要的鈣鈦礦型無鉛鐵電、壓電材料。這種材料因其特殊的結(jié)構(gòu)而具有大的剩余極化、大的電致應變和良好的弛豫特性等優(yōu)點，因此可以在制動器、電卡、儲能以及氧離子導體等方面有巨大的應用前景。但是，BNT基材料還存在一些問題，例如其結(jié)構(gòu)、微觀形貌和缺陷等與性能之間的關(guān)系尚不明確，鐵電、壓電、介電等各方面的性能也有待提高等。本文通過對鈦酸鉍鈉基鐵電陶瓷A/B位摻雜、取代以及與鈦酸鋇、鈦酸鉍鉀和

2、鈦酸鍶鉍等固溶來提高性能，并分析其大電致應變對材料結(jié)構(gòu)和形貌的依賴關(guān)系，進而研究了缺陷對材料電學和弛豫特性的調(diào)控規(guī)律。
　　制備了0.94(Bi0.5Na0.5)TiO3-0.06BaTiO3二元固溶體，研究了室溫和110℃不同電場下的電滯回線、極化反轉(zhuǎn)和應變曲線。在這兩個溫度下，電滯回線的變化表征了其電疇轉(zhuǎn)向分三個階段。室溫和110℃時，第一和第三個階段都遵循定比定律，而第二個階段由于活性疇的數(shù)量隨著電場增加而不斷變化無法擬合。

3、與不同電場下應變和電流曲線對比，室溫下第二階段應變增大主要來源于非-180°疇的轉(zhuǎn)向。而110℃時，第二個階段則主要是隨機取向的納米極化區(qū)在外電場下的定向排列以及隨后的疇長大，最終形成長程有序鐵電疇的過程，這個階段對應應變增長最快區(qū)間則表明了電場引起的弛豫相向鐵電相變是高溫相大應變的主要來源。
　　為了進一步獲得室溫下可應用的大電致應變，制備了(0.945-x)(Bi0.5Na0.5)TiO3-0.055BaTiO3-x(Sr0.

4、7Bi0.2□0.1)TiO3(□代表Sr空位)三元固溶體。當x=0時材料在初始狀態(tài)下存在三方單斜共存相向純?nèi)较嗟牟豢赡嫦嘧冞^程，導致了大剩余應變 Sr=0.330％，這個過程同時也是非遍歷弛豫相向鐵電相的不可逆相變過程。隨著(Sr0.7Bi0.2□0.1)TiO3含量增加，鐵電有序被打破，伴隨著Pr和Ec減小以及鐵電-弛豫相轉(zhuǎn)變溫度降低。鐵電和遍歷弛豫相共同存在于x=0.02中，外加電場帶來了疇轉(zhuǎn)向以及遍歷弛豫相向鐵電相的可逆相變，

5、這種耦合使得 x=0.02在室溫附近具有大電致應變 S=0.428%，以及大Smax/Emax=713 pm/V。
　　制備了Li摻雜(Bi0.5Na0.4K0.1)0.98Ce0.02TiO3鐵電陶瓷，研究了缺陷偶極子對電場引發(fā)的鐵電疇轉(zhuǎn)向和弛豫到鐵電相變的影響。室溫下，缺陷偶極子(L'''Ti-V"o)'受到極化后定向排列疇的影響會發(fā)生取向性而產(chǎn)生內(nèi)電場，因而出現(xiàn)了不對稱的電滯回線以及應變曲線。進一步研究了其不同溫度下電學特性

6、以及結(jié)構(gòu)變化。值得注意的是，在80℃≤T≤90℃溫度區(qū)間內(nèi)，電滯回線變?yōu)殡p電滯回線特征，但其電滯回線與應變曲線不對稱特性一直存在。這是由于在這個區(qū)間內(nèi)鐵電與遍歷弛豫相共存，缺陷偶極子還仍然具有定向排列，從而對于遍歷弛豫相向鐵電相變也具有釘扎作用。
　　制備了室溫下具有大電致伸縮特性的(0.94-x)(Bi0.5Na0.5)TiO3-0.06BaTiO3-x(Sr0.7Bi0.2□0.1)TiO3弛豫陶瓷。當 x=0.3時，S-P2

7、曲線完全符合二次方關(guān)系特點則表明其具有的電致伸縮效應，電致伸縮應變達S=0.152%，電致伸縮系數(shù)Q11=0.0297 m4/C2。通過疇結(jié)構(gòu)分析表明大電致伸縮特性來源于室溫下存在的鐵電納米疇。
　　進一步制備了Bi缺位(0.94-x)(Bi0.5Na0.5)TiO3-0.06BaTiO3-x(Sr0.7Bi0.2□0.1)TiO3陶瓷，獲得了介電常數(shù)值為5000溫度范圍超過250℃的溫度穩(wěn)定介電材料，說明了其在高溫介電領域的應用

8、潛力。通過不同氣氛下的阻抗譜分析，表明Bi缺位使氧空位更易遷移，從而使Bi缺位陶瓷在很寬的溫度范圍內(nèi)有較高的介電常數(shù)。
　　制備了Fe取代(Bi0.5+x/2Na0.5-x/2)0.94Ba0.06Ti1-xFexO3陶瓷，大大的提高了抗疲勞性能。當x=0時，電場使得材料存在贋立方到三方四方共存的相變，B位Fe取代Ti以及A位Bi取代Na，使缺陷偶極對(B"Na-Fe'Ti)'沿(111)方向，電場致相變變?yōu)榱速灹⒎较蛉降南嘧儭?/p>

9、四方相中疇主要是180°以及90°，而90°疇轉(zhuǎn)向存在較大應力，隨著疲勞次數(shù)增加，疇轉(zhuǎn)向逐漸受到了抑制。另外，氧空位在疲勞過程中的遷移與聚集，對疇轉(zhuǎn)向以及疇壁的釘扎也是疲勞性能惡化的主要原因。而Fe取代B位，形成的缺陷Fe'Ti對氧空位起了釘扎作用，進一步提高了抗疲勞性能，鐵電性能在105內(nèi)沒有明顯降低。
　　最后，建立了一個修正 Landau-Ginzberg-Devonshire模型來模擬納米極化區(qū)對0.94(Bi0.5Na0