鈦酸鉍鈉基無鉛壓電陶瓷場致應(yīng)變的研究.pdf

1、壓電材料是一類可實(shí)現(xiàn)機(jī)械能與電能相互轉(zhuǎn)換的功能電子材料，廣泛地應(yīng)用于蜂鳴器、濾波器、傳感器、驅(qū)動(dòng)器和換能器等，遍及日常生活、工業(yè)生產(chǎn)以及軍事領(lǐng)域。Bi0.5Na0.5TiO3(BNT)具有剩余極化大、居里溫度高、機(jī)電耦合系數(shù)各向異性大等特點(diǎn)，被認(rèn)為是一種非常有應(yīng)用前景的無鉛壓電材料。目前，對(duì)BNT的研究主要集中在提高其壓電系數(shù)、降低電導(dǎo)率和矯頑場。借鑒傳統(tǒng)PZT陶瓷的研究經(jīng)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)在準(zhǔn)同型相界附近可制備出性能優(yōu)異的二元及多元系固溶體，其

2、壓電性能有較大提高。目前研究集中在BNT-BT體系，對(duì)BNT-BKT體系研究較少。2007年Shan-TaoZhang等人在BNT-BT體系中得到了較大的場致應(yīng)變曲線，最大單極應(yīng)變量可達(dá)0.45％(80kV/cm)，等效壓電常數(shù)Smax/Emax=560pm/V，這一發(fā)現(xiàn)使越來越多的研究者開始關(guān)注BNT基壓電陶瓷的場致應(yīng)變效應(yīng)。本論文采用傳統(tǒng)固相反應(yīng)法，通過組分調(diào)控制備了BNT基無鉛壓電陶瓷，系統(tǒng)研究了材料的結(jié)構(gòu)、介電、壓電和鐵電性能。

3、主要的研究內(nèi)容總結(jié)如下:
　　1.用同樣是A位復(fù)合鈣鈦礦結(jié)構(gòu)的Bi0.5K0.5TiO3(BKT)與BNT進(jìn)行復(fù)合，在準(zhǔn)同型相界區(qū)域制備了0.84Bi0.5Na0.5TiO3-0.16Bi0.5K0.5TiO3(0.84BNT-0.16BKT)無鉛壓電陶瓷。研究了二元系固溶體在準(zhǔn)同型相界區(qū)域內(nèi)的介電特性、鐵電性能及場致應(yīng)變效應(yīng)。X射線衍射圖譜表明，0.84BNT-0.16BKT為純的鈣鈦礦結(jié)構(gòu)。介電溫譜結(jié)果表明，極化前后樣品的相對(duì)

4、介電常數(shù)在高溫段沒有明顯變化，極化后介電損耗在鐵電相-弛豫相轉(zhuǎn)變溫度TF-R處出現(xiàn)峰值，室溫附近的損耗有所降低。不同溫度下的電滯回線測試表明，在鐵電相-弛豫相轉(zhuǎn)變溫度TF-R附近存在一個(gè)相變的過程，由鐵電相逐漸向弛豫相（非極性相）轉(zhuǎn)變，電滯回線逐漸被壓縮，矯頑場（Ec）和剩余極化強(qiáng)度(Pr)逐漸減小，鐵電性逐漸減弱，同時(shí)場致應(yīng)變效應(yīng)增大。在150℃（約TF-R）處，雙極應(yīng)變量(BipolarStrain)可達(dá)1.28％，單極應(yīng)變量（Un

5、ipolar Strain）可達(dá)1.03％，等效壓電常數(shù)Smax/Emax=d*33=1716pm/V，這一數(shù)據(jù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于相關(guān)文獻(xiàn)報(bào)道的數(shù)值。
　　2.基于我們對(duì)0.84BNT-0.16BKT壓電陶瓷的研究，我們采用Nb5+離子對(duì)其進(jìn)行B位取代，制備了Bi0.5(Na0.84K0.16)0.5Ti1-xNbxO3系列壓電陶瓷，期望降低0.84BNT-0.16BKT壓電陶瓷的鐵電相-弛豫相轉(zhuǎn)變溫度TF-R，提高其在室溫附近的場致應(yīng)變量

6、。我們系統(tǒng)地分析了Nb取代對(duì)0.84BNT-0.16BKT壓電陶瓷介電、鐵電和場致應(yīng)變效應(yīng)的影響。X射線衍射圖譜顯示，當(dāng)x≦0.03時(shí)，樣品均為贗立方相;當(dāng)x≧0.05時(shí)，樣品除了保持贗立方相外，還出現(xiàn)了第二相Bi2Ti2O7。Nb取代的0.84BNT-0.16BKT壓電陶瓷樣品的矯頑場、剩余極化強(qiáng)度和鐵電相-弛豫相轉(zhuǎn)變溫度TF-R均向室溫移動(dòng)。在x=0.03組分處，該系列陶瓷樣品的性能最為優(yōu)異，鐵電相-弛豫相轉(zhuǎn)變溫度TF-R降低至63

7、℃，遠(yuǎn)低于0.84BNT-0.16BKT。電滯回線結(jié)果表明其鐵電性有所降低，但室溫附近的應(yīng)變量大幅提高達(dá)到0.35％，Smax/Emax=d*33=500pm/V，遠(yuǎn)高于0.84BNT-0.16BKT在室溫下的數(shù)值。
　　3.我們使用Ba(Al0.5Ta0.5)O3和Ba(Al0.5Sb0.5)O3分別與BNT進(jìn)行復(fù)合，制備了(1-x)BNT-xBa(Al0.5Ta0.5)O3和(1-x)BNT-xBa(Al0.5Sb0.5)O3

8、系列無鉛壓電陶瓷。所有樣品均為贗立方結(jié)構(gòu)，沒有第二相生成。研究發(fā)現(xiàn):(1-x)BNT-xBa(Al0.5Ta0.5)O3系列壓電陶瓷，當(dāng)?shù)诙M元含量x=0.045時(shí)，對(duì)應(yīng)的電致伸縮系數(shù)Q為0.027m4C-2，明顯高于鉛基電致伸縮材料Pb(Mg1/3Nb2/3)O3(PMN)的Q值(0.017m4C-2);(1-x)BNT-xBa(Al0.5Sb0.5)O3系列壓電陶瓷，x=0.035組分的單極應(yīng)變量為0.27％，Smax/Emax=d