A-B位取代改性的BiFeO3-BaTiO3基無鉛壓電陶瓷的相結構、壓電及多鐵性能研究.pdf

1、多鐵性材料指兼具鐵電性和鐵磁性的一類多功能材料。BiFeO3是一種鮮有的在室溫條件下表現(xiàn)出多鐵性的單相多鐵材料，它具有高的居里溫度(TC=830℃)和尼爾溫度（TN=370℃），加之其磁電耦合效應，使得其在電子器件等領域有廣闊的應用前景。然而，由于在高溫條件下Bi易揮發(fā)，F(xiàn)e3+被還原為Fe2+，致使氧空位產(chǎn)生，導致BiFeO3具有較大的漏電流，其鐵電性受到抑制;加之其獨特的磁螺旋結構，使得宏觀鐵磁性的表現(xiàn)受到了阻礙，從而使BiFeO3

2、基材料的應用受到限制。此外，BiFeO3陶瓷的溫度窗口狹窄，容易產(chǎn)生雜相。所以，為了穩(wěn)定鈣鈦礦結構，改善其電絕緣性，抑制雜相的生成，并且提高其多鐵性，本論文以BiFeO3-BaTiO3基鈣鈦礦材料為研究對象，提出了B位摻雜或者A、B位共摻雜BiFeO3-BaTiO3體系，其中A位摻雜主要選用稀土離子La3+和Sm3+，B位摻雜主要采用(Mg0.5Zr0.5)3+、(Ni0.5Mn0.5)3+及(Co0.5Mn0.5)3+離子，討論了摻雜

3、離子對材料的結構及性能的影響。主要研究內(nèi)容及結論如下:
　　(1)本實驗采用固相法制備了(0.725-x)BiFeO3-0.275BaTiO3-xBi(Mg0.5Zr0.5)O3+1mol％MnO2(x=0-0.08)無鉛壓電陶瓷，系統(tǒng)研究了Bi(Mg0.5Zr0.5)O3摻雜對其相結構、微觀結構、電絕緣性、介電、鐵電及壓電性能的影響。在摻雜了Bi(Mg0.5Zr0.5)O3之后，晶體結構由菱方相(R3c)向四方相（P4mm）結構

4、轉變，并在x=0.01處形成準同型相界(MPB)，平均晶粒尺寸先增大后減小，介電峰逐漸變寬。相比于純BiFeO3，材料的電絕緣性（約為1.0×109-5.0×109Ω·cm）有大幅度的提升。當x=0-0.02時，由于MPB的存在，表現(xiàn)出最優(yōu)的壓電性(d33～129-135 pC/N)，良好致密度（ρr～94.9-96.3％）和高的居里溫度（TC～559-610℃）。
　　(2)采用固相法制備了(0.725-x)BiFeO3-0.2

5、75BaTiO3-xBi(Ni0.5Mn0.5)O3+1 mol％MnO2無鉛壓電陶瓷，并系統(tǒng)研究了其相結構、微觀結構、壓電和多鐵性能。XRD測試表明，在950℃燒結2h的條件下得到的陶瓷樣品均表現(xiàn)出純的鈣鈦礦結構。在摻雜了Bi(Ni0.5Mn0.5)O3后，晶體結構由x=0-0.04時的菱方相(R3c)向x＞0.07時的贗立方相(Pm-3m)結構轉變，且在x=0.05-0.07處兩相共存。摻雜Bi(Ni0.5Mn0.5)O3后，由于M

6、n4+進入晶界，抑制了晶粒的生長，使得晶粒尺寸減小。由于Fe3+和(Ni0.5Mn0.5)3+的差異性，陶瓷的介電峰逐漸變寬，形成彌散相變。少量摻雜Bi(Ni0.5Mn0.5)O3(x≤0.02)時，陶瓷表現(xiàn)出良好的鐵電性、壓電性和磁電耦合效應（Pr=16.7-19.3μC/cm2,d33=124-145 pC/N,α33.max～553.65 mV cm-1 Oe-1），而過量摻雜Bi(Ni0.5Mn0.5)O3則劣化了陶瓷的鐵電性、

7、壓電性和磁電耦合效應(α33max～444.45 mV cm-1 Oe-1)。
　　(3)本實驗體系采用固相法制備了(0.75-x)BiFeO3-0.25BaTiO3-xLa(Co0.5Mn0.5)O3+1 mol％ MnO2(x=0-0.10)無鉛壓電陶瓷，系統(tǒng)研究了La(Co0.5Mn0.5)O3摻雜對其相結構、微觀結構、壓電和多鐵性能的影響。XRD圖譜結果表明，在960℃燒結2h的條件下得到的陶瓷樣品均表現(xiàn)出純的鈣鈦礦結構。

8、在摻雜了La(Co0.5Mn0.5)O3后，晶體結構由x=0時的菱方相(R3c)向x＞0.03時的正交相(Amm2)結構轉變，且在x=0.01-0.03處兩相共存，形成準同型相界(MPB)。當摻雜少量La(Co0.5Mn0.5)O3(x≤0.03)時，陶瓷表現(xiàn)出良好的鐵電性和壓電性（Pr=18.1μC/cm2，d33=103 pC/N），而過量摻雜La(Co0.5Mn0.5)O3(x=0.04-0.10)則劣化了陶瓷的鐵電性和壓電性。當

9、x=0-0.03時，陶瓷表現(xiàn)出較好的壓電性（d33～95-108 pC/N），較強的鐵電性（Pr～2.2-18.1μC/cm2），較高的居里溫度（TC～523-659℃），較強的磁電耦合性（α33, max～372-672 mV/cm·Oe）。
　　(4)采用固相法制備了(0.75-x) BiFeO3-0.25BaTiO3-xSmCoO3+1 mol％ MnO2(x=0-0.07)無鉛壓電陶瓷，系統(tǒng)研究了其相結構、微觀結構、電絕緣

10、性、壓電、鐵電、鐵磁和磁電耦合性能。在960℃燒結2h的條件下得到的陶瓷樣品均表現(xiàn)出純的鈣鈦礦結構，沒有檢測到任何雜相。在摻雜了SmCoO3后，晶體結構由x=0時的菱方相(R3c)向x＞0.04時的四方相（P4mm）結構轉變，且在x=0.01-0.04處兩相共存，形成準同型相界(MPB)。當x=0.01時，陶瓷表現(xiàn)出良好的鐵電性(d33=106 pC/N，kp=32％)，而過量摻雜SmCoO3則劣化了陶瓷的鐵電性卻大幅度增強了鐵磁性。當