鈦酸鉍鈉基鐵電陶瓷及其1-3型壓電復(fù)合材料的性能研究.pdf

1、鈦酸鉍鈉(Bi0.5Na0.5TiO3，簡稱BNT)是一種A位復(fù)合離子結(jié)構(gòu)的鈣鈦礦型壓電材料，在室溫下具有菱方相(R3c)結(jié)構(gòu)，并且具有高居里溫度(Tc～320℃)和較大的剩余極化強(qiáng)度（Pr～38μC/cm2），因此它被認(rèn)為是一種最有前景的無鉛壓電和鐵電材料之一。本文采用傳統(tǒng)固相法合成陶瓷材料，詳細(xì)地分析了組成與結(jié)構(gòu)、性能之間的關(guān)系，并結(jié)合實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析了BNT基陶瓷的相結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變，介電弛豫特性、鐵電性質(zhì)以及壓電性質(zhì)。另外在此基礎(chǔ)上，制備了

2、BNT基無鉛壓電陶瓷/環(huán)氧樹脂1-3型壓電復(fù)合材料并且探討了其電學(xué)性能與陶瓷體積分?jǐn)?shù)之間的關(guān)系。
　　本論文研究可分為以下三個(gè)部分:
　　1.由于BNT陶瓷本身固有的缺陷，比如高的矯頑場和漏導(dǎo)，在實(shí)際的運(yùn)用中受到了極大的限制。通過與PbTiO3進(jìn)行復(fù)合，一定程度上改善了該體系的整體性能。由于0.84BNT-0.16PT在室溫下是四方相，加入另一菱方相物質(zhì)來形成相界以此進(jìn)一步提高電學(xué)性能。鈮鎂酸鉛(PMN)在室溫下是偽立方結(jié)構(gòu)

3、，并且具有比較大的介電常數(shù)和較強(qiáng)的頻率色散。通過把PMN加入到0.84BNT-0.16PT中，基體的四方性逐漸減弱，并且當(dāng)PMN的摩爾分?jǐn)?shù)達(dá)到37.5％時(shí)，四方相和偽立方相共存，此時(shí)壓電性能達(dá)到最優(yōu)。當(dāng)繼續(xù)增加PMN的含量到42.5％時(shí)，在7 kV/mm外電場的作用下誘發(fā)出較大的應(yīng)變S～0.3％，這是由于該組成靠近各態(tài)歷經(jīng)-非各態(tài)歷經(jīng)相界的緣故。值得注意的是，在該體系中，我們通過組成和溫度調(diào)制過后發(fā)現(xiàn)，某一特定組成電流密度曲線出現(xiàn)了較為

4、異常的情況。結(jié)合同步輻射及其相關(guān)表征手段我們初步探究了電流密度峰異常的原因。在這一章的基礎(chǔ)上，我們固定PMN含量，合成了三元體系(0.7-x)Bi0.5Na0.5TiO3-xPbTiO3-0.3Pb(Mg1/3Nb2/3)O3，系統(tǒng)地分析了隨著PT含量的變化，該體系的相結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變，組成依賴的介電、鐵電和壓電性能。另外，在本章節(jié)我們根據(jù)在不同電場強(qiáng)度下的電滯回線P-E，雙極應(yīng)變曲線、單級應(yīng)變曲線S-E，電流密度曲線J-E的演變情況，由此做出

5、了對P-E、S-E和J-E曲線在升電場和降電場的分區(qū)，以及有了不同電場下的疇結(jié)構(gòu)演變的猜想。
　　2.鈣鈦礦結(jié)構(gòu)的鐵電陶瓷鈮鎳酸鋇Ba(Ni0.5Nb0.5)O3(BNN)，在室溫下是立方相結(jié)構(gòu)，具有彌散性相變的特點(diǎn)，并且它具有較大的容忍因子t=1.064（RBa2+=1.61(A)，RNi3+=0.56(A)和RNb5+=0.64(A)）。由于BNT在室溫下是菱方相結(jié)構(gòu)，當(dāng)把BNN摻入到BNT基體中與其形成固溶體時(shí)，不僅形成了菱

6、方相-偽立方相的相界，而且在位于偽立方相一側(cè)發(fā)生了較大的應(yīng)變。在BNT-xBNN二元體系中，當(dāng)x=0.045即鐵電菱方相和偽立方相共存時(shí)，獲得了較高的靜態(tài)壓電系數(shù)d33～121 pC/N和平面機(jī)電耦合系數(shù)kp～0.27。繼續(xù)增加BNN含量達(dá)到x=0.05時(shí)，壓電性能與機(jī)電耦合性能迅速消失，且在7 kV/mm電場的誘發(fā)下獲得較大的應(yīng)變值0.3％（d33*～425 pm/V）。
　　3.通過改善的切割-填充法制作了微米尺度的0.96B

7、i0.5(Na0.84K0.16)0.5TiO3-0.04SrTiO3陶瓷/環(huán)氧樹脂(BNKT-ST/epoxy)1-3型壓電復(fù)合材料。通過調(diào)節(jié)陶瓷含量的體積分?jǐn)?shù)，當(dāng)陶瓷相的體積分?jǐn)?shù)v=0.276時(shí)，1-3型復(fù)合材料顯示出良好的電學(xué)性能:相對較高的壓電應(yīng)變常數(shù)d33～104 pC/N，較高的壓電電壓系數(shù)g33～91.5×10-3m2/C，高的厚度方向上的機(jī)電耦合系數(shù)kt～0.547，適中的介電常數(shù)εr～128.4和相對較低的聲阻抗值Z～