鈦酸鉍鈉無鉛壓電陶瓷與高溫鉍層無鉛壓電陶瓷探索.pdf

1、壓電材料是能在外加機(jī)械力的作用下產(chǎn)生極化并形成表面電荷，或在外加電場(chǎng)作用下產(chǎn)生形變的功能材料。通過外力產(chǎn)生電荷的現(xiàn)象，稱為正壓電效應(yīng)，是同居里兄弟于1880年發(fā)現(xiàn)的。壓電效應(yīng)是一種機(jī)電耦合效應(yīng)，將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能，稱為正壓電效應(yīng)。反之，壓電晶體置于外電場(chǎng)中，由于外電場(chǎng)的作用引起品體內(nèi)部正負(fù)電荷中心的位移-極化位移而導(dǎo)致晶體發(fā)生形變，稱為逆壓電效應(yīng)。這兩種效應(yīng)統(tǒng)稱為壓電效應(yīng)。 鉍層狀結(jié)構(gòu)化合物由于其獨(dú)特的結(jié)構(gòu)特性和高居罩溫度引起了

2、人們的重視。鉍層狀結(jié)構(gòu)壓電材料在濾波器、能量轉(zhuǎn)換、高溫高頻領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。鉍層狀結(jié)構(gòu)化合物是由二維的鈣鈦礦層和含鉍(Bi2O2)2+層沿c軸有規(guī)則的相互交替排列而成。 本文研究了(1-y)[(Na0.96-xKxLi0.04)0.5Bi0.5]TiO3-yBa(Zr0.055Ti0.945)O3無鉛壓電陶瓷的壓電介電特性，得到了壓電系數(shù)d33高達(dá)185(pC/N)的無鉛壓電陶瓷0.94[(Na0.80K0.16Li0.0

3、4)0.5Bi0.5]TiO3-0.06Ba(Zr0.055Ti0.945)O3。 在對(duì)鉍層結(jié)構(gòu)陶瓷結(jié)構(gòu)和極化過程改性上，A位或(和)B位替代被證明是有效的。而且已經(jīng)證實(shí)，Ce摻雜可以有效的提高鉍層結(jié)構(gòu)陶瓷的電阻率和壓電活性。本文研究了Ce摻雜Bi3TiNbO9系列超高溫鉍層結(jié)構(gòu)無鉛壓電陶瓷，還研究了(LiCe)復(fù)合替代[(Na，K)0.5Bi4.5Ti4O15]系列、[(Na，K)0.5Bi2.5Nb2O9]系列高溫鉍層無鉛壓

4、電陶瓷。本文分析了鉍層結(jié)構(gòu)壓電陶瓷壓電活性低的原因，探索出提高其壓電活性和性能的方法。 對(duì)(Li，Ce)的A位替代對(duì)A位含缺位的(Na，K)0.5Bi2.5Nb2O9系列陶瓷的影響進(jìn)行了研究，使該系列陶瓷的壓電活性獲得了人幅度的提高。該(Na.K)0.5Bi2.5Nb2O9系列陶瓷的壓電系數(shù)d33達(dá)到了28 pC/N，比報(bào)道的高溫鉍層陶瓷的d33值(～5-19pC/N)高出了50％。 用傳統(tǒng)固相燒結(jié)法方法制備了A位缺位的

5、(Na.K)0.5Bi4.5Ti4O15系列陶瓷。(Li，Ce)摻雜極大的提高了(Na.K)0.5Bi4.5Ti4O15系列陶瓷的壓電活性和介電系數(shù)。該(Na.K)0.5Bi4.5Ti4O15系列陶瓷的壓電系數(shù)d33達(dá)到了26 pC/N，該值達(dá)到了純Na0.5Bi4.5Ti4O15陶瓷壓電系數(shù)d33值(-10pC/N)的 2.5倍以上。 在ScTa復(fù)合替代BTNO陶瓷中， Bi3Ti0.96Sc0.02Ta0.02NbO9超高溫

6、陶瓷具有非常高的壓電系數(shù)d33值(12 pC/N)和超高居里溫度Tc(905℃)。這一成果突破了前人Tc能達(dá)到900℃但壓電活性卻很低(d33值為6 pC/N)的記錄。為了提高其電阻率、進(jìn)一步提高其壓電活性，用CeO2對(duì)ScTa替代的BTNO進(jìn)行摻雜，系統(tǒng)研究了CeO2對(duì)該陶瓷壓電活性和電阻率的影響。Bi3Ti0.96Sc0.02Ta0.02NbO9+xwt.％CeO2(x=0.35)陶瓷的d33提高到18 pC/N，該值是前人未改性的

7、Bi3TiNbO9壓電性能(6pC/N)的3倍。 壓電振子低頻振動(dòng)模式的高次泛音易與厚度振動(dòng)模式的基頻相耦合，導(dǎo)致厚度振動(dòng)的基音串聯(lián)諧振頻率不能精確測(cè)量(或無法測(cè)量)，造成傳統(tǒng)泛音比法測(cè)定壓電振子的機(jī)電耦合系數(shù)的精度和一致性變差或無法進(jìn)行測(cè)定。為了克服傳統(tǒng)泛音比法的這一弊端，本文提出了測(cè)定壓電振子厚度振動(dòng)機(jī)電耦合系數(shù)的高次泛音比法。此法通過測(cè)定3次和3次以上的高次串聯(lián)諧振頻率，用高次泛音比來測(cè)定壓電振子厚度振動(dòng)機(jī)電耦合系數(shù)。實(shí)驗(yàn)