高性能BCTZ基無鉛壓電陶瓷的改性與機理研究.pdf

1、基于(Ba0.85Ca0.15)(Ti0.90Zr0.1)O3(BCTZ)鈣鈦礦型無鉛壓電陶瓷具有壓電常數(shù)高、介電常數(shù)大、損耗小、制備與廢棄處理對環(huán)境污染低等優(yōu)點，并根據其目前存在燒結溫度高、居里溫度低等問題。本文首先采用Ag2O，MnO2摻雜改性BCTZ基體，研究對陶瓷燒結特性的影響;其次采用In2O3，Ga2O3，Sb2O3摻雜改性BCTZ基體，研究對陶瓷的晶粒生長規(guī)律的影響;之后采用BiAlO3，BiYbO3，Ba(Cu0.5W0

2、.5)O3復合取代BCTZ基體，研究對陶瓷居里溫度的影響規(guī)律;根據前面的研究結果，采用In2O3，Ga2O3，Ba(Cu0.5W0.5)O3摻雜(復合)(Ba0.85Ca0.15)(Ti0.90Zr0.1)O3(BCTZ99)基體，研究對陶瓷的晶粒及居里溫度的影響規(guī)律;最后對比分析了In2O3，Ga2O3，Ba(Cu0.5W0.5)O3對BCTZ和BCTZ99基體的影響和作用機理。本文研究的主要內容如下:
　　系統(tǒng)研究了BCTZ-

3、Ag，BCTZ-Mn體系陶瓷的組成與相結構、顯微組織、密度及電性能的影響關系，并對比分析了Ag2O，MnO2對BCTZ陶瓷的影響規(guī)律。XRD表明: BCTZ-Ag陶瓷的MPB在x=0.1附近;BCTZ-Mn陶瓷的MPB在0.06≤x≤0.10內。陶瓷的最佳性能為:BCTZ-Ag陶瓷x=0.08時，d33=616pC/N,kp=58.1％,r=5.6Ω,tanδ=0.63％; BCTZ-Mn陶瓷x=0.08時，d33=495pC/N,kp

4、=49.6％,tanδ=1.58％，Pr=10.9μC/cm2。對比發(fā)現(xiàn):BCTZ-0.08％Ag陶瓷的晶粒尺寸為50-90μm，遠大于BCTZ-0.08％Mn陶瓷的30-40μm。
　　系統(tǒng)研究了BCTZ-In，BCTZ-Ga，BCTZ-Sb體系陶瓷的組成與相結構、顯微晶相組織、密度及電性能的影響關系，探討陶瓷相變與鐵電溫譜的關系，并對比分析了In2O3，Ga2O3，Sb2O3對BCTZ陶瓷晶粒生長的影響規(guī)律。SEM表明:BCT

5、Z-In陶瓷呈現(xiàn)小晶粒長大數(shù)量逐漸增多;BCTZ-Ga陶瓷的晶粒逐漸長大;BCTZ-Sb陶瓷的晶粒均勻長大。陶瓷的最佳性能為:BCTZ-In陶瓷x=0.08時，d33=605pC/N，kp=57.7％，r=6.8Ω,tanδ=1.56％,Pr=11.1μC/cm2; BCTZ-Ga陶瓷x=0.10時，d33=705pC/N,kp=61％,r=5.2Ω,tanδ=1.75％,Pr=11.3μC/cm2;BCTZ-Sb陶瓷x=0.1時，d3

6、3=556pC/N，kp=52％，tanδ=1.3％，Pr=12.6μC/cm2。鐵電溫譜表明:BCTZ-0.1％Ga陶瓷的TR-T相變在25-40℃內;BCTZ-0.1％Sb陶瓷在-60-20℃內Pr達到飽和為15μC/cm2，TR-T相變在20-40℃內。比較BCTZ-In，BCTZ-Ga，BCTZ-Sb，BCTZ陶瓷發(fā)現(xiàn)，最大晶粒尺寸分別80μm，50μm，15μm，5μm。
　　系統(tǒng)研究了BCTZ-BA，BCTZ-BY，B

7、CTZ-BCW體系陶瓷的組成與相結構、顯微組織及電性能的影響關系，探討陶瓷相變與鐵電溫譜的關系，并對比分析了BiAlO3，BiYbO3，Ba(Cu0.5W0.5)O3對BCTZ陶瓷居里溫度的影響規(guī)律。結果表明:BCTZ-BA和BCTZ-BY陶瓷的Tc向低溫移動;BCTZ-BCW陶瓷的Tc向高溫推移，并在0.05％≤x≤0.30％內存在MPB;陶瓷的最佳性能為:BCTZ-BA陶瓷x=0.1％時，d33=536pC/N,kp=55.6％,t

8、anδ=1.26％,Pr=10.8μC/cm2;BCTZ-BY陶瓷x=0.1％時，d33=580pC/N，kp=56.4％，r=10.9Ω，tanδ=1.12％，Pr=12.18μC/cm2; BCTZ-BCW陶瓷x=0.1％時，d33=555pC/N，kp=55.3％，r=8.6Ω，tanδ=1.2％，Pr=11.0μC/cm2。鐵電溫譜表明:BCTZ-0.1％BA陶瓷在-50℃時Pr達到飽和，TR-T相變在30-40℃內;BCTZ-

9、0.1％BY陶瓷在-60-20℃內Pr呈線性下降，TR-T相變在20-40℃內;BCTZ-0.1％BA，BCTZ-0.1％BY，BCTZ-0.1％BCW陶瓷的Tc變化依次為:Tc-BCW＞Tc-BY＞Tc-BA。
　　系統(tǒng)研究了BCTZ99-Ga，BCTZ99-In，BCTZ99-BCW體系陶瓷的組成與相結構、顯微組織及電性能的影響關系，探討陶瓷相變與鐵電溫譜的關系。結果表明:BCTZ99-In陶瓷的PPT相變在0.04≤x≤0.

10、06內，晶粒均勻長大，Tc稍微降低;BCTZ99-Ga陶瓷的晶粒長大，Tc向高溫推移;BCTZ99-BCW陶瓷的MPB在0.05％≤x≤0.20％內，晶粒均勻長大，Tc提高到127℃。陶瓷的最佳性能為:BCTZ99-In陶瓷x=0.06時，d33=507pC/N,kp=49.8％, tanδ=1.35％, Pr=14.9μC/cm2;BCTZ99-Ga陶瓷x=0.08時，d33=440pC/N,kp=56％,r=7.6Ω,Pr=15.3

11、μC/cm2; BCTZ99-BCW陶瓷x=0.1％時，d33=300pC/N，kp=30％，tanδ=1.6％，Pr=14.8μC/cm2。鐵電溫譜表明:BCTZ99-0.08％Ga陶瓷的TO-T相變在20-40℃內。
　　對比研究了BCTZ與BCTZ99，BCTZ-0.08％In與BCTZ99-0.06％In, BCTZ-0.1％Ga與BCTZ99-0.08％Ga,BCTZ-0.1％BCW與BCTZ99-0.1％BCW陶瓷的ε

12、r-f關系，tanδ-f關系，θ-f關系，Z-f關系，介電彌散相變和壓電性能的退極化規(guī)律。結果表明:BCTZ-0.08％In和BCTZ99-0.06％In陶瓷在40-10MHz內均呈現(xiàn)低的tanδ，均屬于硬性摻雜，增強并穩(wěn)定了壓電性能;BCTZ99-0.06％In陶瓷呈現(xiàn)彌散相變特征。BCTZ-0.1％Ga和BCTZ99-0.08％Ga陶瓷在40-10M Hz內均呈現(xiàn)低的tanδ和較高的εr，且均屬于硬性摻雜，增強并穩(wěn)定了壓電性能;BC