Bi基多離子復合鐵電體Bi(Zn1-2Ti1-2)O3改性BNT基壓電陶瓷的研究.pdf

1、基于對鉛基材料的廣泛研究,人們認為鉛與壓電鐵電性的起源密切相關,由于 Bi具有與Pb類似的特性,同時Bi的氧化物無毒,故鉍基壓電鐵電材料成為無鉛壓電鐵電材料研究的熱點。鈦酸鉍鈉((Bi1/2Na1/2)TiO3,簡稱BNT)陶瓷具有居里溫度高(Tc=320℃),室溫下剩余極化強度大(Pr=38μC/cm2),且燒結(jié)溫度低,是目前認為最有可能取代鉛基壓電陶瓷的候選材料之一。鉍基鐵電體 BiMeO3(Me為三價金屬陽離子)可以提高 BNT基

2、陶瓷的壓電性能。但簡單離子化合物 BiMeO3很難合成,并且在常壓下不穩(wěn)定。而 Bi基多離子復合鐵電體 Bi(Zn1/2Ti1/2)O3能夠穩(wěn)定存在,剩余極化大(理論計算 Pr>150μC/cm2),具有畸變的四方結(jié)構(gòu)。因此,本文在三方結(jié)構(gòu)的BNT基陶瓷中引入四方結(jié)構(gòu)Bi(Zn1/2Ti1/2)O3化合物來改善電性能。論文采用固相法制備了 Bi基多離子復合鐵電體Bi(Zn,Ti)O3改性的新型二元系(1-x)BNT-xBi(Zn1/2T

3、i1/2)O3、偽三元系(0.95-x)(Bi1/2Na1/2)TiO3–0.05 BaTiO3–x Bi(Zn1/2Ti1/2)O3陶瓷,研究了 Bi基多離子復合鐵電體Bi(Zn1/2Ti1/2)O3對BNT、BNBT5陶瓷微觀結(jié)構(gòu),壓電與介電性能的影響,提出了采用最大極化相位角θmax衡量壓電陶瓷極化程度的理論。在此基礎上,選擇性能較好的0.93BNT-0.05BT-0.02Bi(Zn1/2Ti1/2)O3(BNBT5-BZT2)組

4、分,進一步采用微量元素 In、Nd摻雜改性,研究了In、Nd摻雜對BNBT5-BZT2陶瓷晶體結(jié)構(gòu)、顯微組織、介電壓電性能與極化狀態(tài)的影響。主要創(chuàng)新點與結(jié)論如下:
　　1. Bi基多離子復合鐵電體 Bi(Zn1/2Ti1/2)O3可以固溶入 BNT陶瓷中形成固溶體,沒有發(fā)現(xiàn)三方、四方準同型相界,添加微量Bi(Zn,Ti)O3明顯抑制BNT陶瓷晶粒長大。添加Bi(Zn1/2Ti1/2)O3對BNT陶瓷平面機電耦合系數(shù)kp沒有明顯提高

5、,但可以改善壓電常數(shù)d33。提出可以采用最大極化相位角θmax衡量壓電陶瓷極化程度。最大極化相位角θmax越大,機電耦合系數(shù)kp就越大。添加Bi(Zn1/2Ti1/2)O3對最大極化相位角θmax影響不大,因而造成機電耦合系數(shù)kp變化小。添加Bi(Zn1/2Ti1/2)O3改善壓電常數(shù)d33主要是內(nèi)應力減少引起的。
　　2.微量 Bi(Zn1/2Ti1/2)O3對(0.95-x)BNT-0.05BT- xBi(Zn1/2Ti1/2

6、)O3陶瓷晶體結(jié)構(gòu)沒有顯著影響,該體系同樣沒有準同型相界的出現(xiàn)。添加 Bi(Zn1/2Ti1/2)O3促進陶瓷晶粒尺寸減小。微量 Bi(Zn1/2Ti1/2)O3明顯改善(0.95-x)BNT-0.05BT-x Bi(Zn1/2Ti1/2)O3陶瓷的極化狀態(tài)與壓電性能,在Bi(Zn1/2Ti1/2)O3含量為x=0.02時,電常數(shù)d33與機電耦合系數(shù)kp同時達到最大值:d33=156pC/N,kp=0.34。
　　3.微量 In、

7、Nd摻雜能完全固溶進入 BNBT5-BZT2陶瓷中形成純鈣鈦礦固溶體。Nd摻雜對BNBT5-BZT陶瓷晶粒尺寸沒有明顯影響,晶粒形貌由原來的橢圓形轉(zhuǎn)變?yōu)楦蛹怃J的四方形,In摻雜明顯抑制晶粒長大。Nd摻雜可以顯著提高BNBT5-BZT陶瓷的壓電常數(shù)d33與機電耦合系數(shù)kp,在摻雜量為0.01wt％時壓電性能達到最大值:d33=172pC/N,kp=0.36。In摻雜改善BNBT5-BZT陶瓷壓電性能的效果不如Nd摻雜明顯,在In2O3摻