鉍基鈣鈦礦弛豫鐵電陶瓷組成設(shè)計(jì)、機(jī)電應(yīng)變和能量存儲(chǔ)特性研究.pdf

1、弛豫鐵電材料具有高的機(jī)電應(yīng)變特性以及能量存儲(chǔ)性能使其在驅(qū)動(dòng)器、傳感器和高功率密度電容器等領(lǐng)域中得到了廣泛應(yīng)用。Bi基鈣鈦礦弛豫鐵電材料具有良好的鐵電性能以及相關(guān)的三元體系能夠在較寬的組成范圍內(nèi)調(diào)節(jié)以滿足實(shí)際應(yīng)用。本文選擇以BiFeO3(BF)、Bi(Mg1/2Ti1/2)O3(BMT)以及Bi(Ni1/2Ti1/2)O3(BNiT)為代表的鉍基類鈣鈦礦陶瓷材料為基體，通過組成的優(yōu)化設(shè)計(jì)，構(gòu)建了新的三元體系，探索其組成-結(jié)構(gòu)-電學(xué)性能之間

2、的關(guān)系，并著重對(duì)機(jī)電應(yīng)變、能量存儲(chǔ)特性及其相關(guān)機(jī)理進(jìn)行研究，全文主要研究?jī)?nèi)容和創(chuàng)新之處如下:
　　(1)考慮到BF-PbTiO3(PT)具有優(yōu)異的鐵電性能，通過弛豫鐵電體Ba(Zr0.25Ti0.75)O3(BZT)取代BF，構(gòu)建了新的BF-PT-xBZT三元體系。研究表明，隨著BZT含量的增加，存在菱方相-菱方和四方相共存-偽立方相的相結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變，同時(shí)伴隨著正常到弛豫的相轉(zhuǎn)變。在這一過程中，x=0.19組成獲得了增強(qiáng)的壓電性能（d

3、33～390pC/N）和應(yīng)變性能（E=4kV/mm，S～0.24％，d33*～600pm/V），而在x=0.27組成獲得了大的應(yīng)變性能(E=4kV/mm，S～0.36％，d33～900pm/V)而無準(zhǔn)靜態(tài)的壓電性能。采用原位電場(chǎng)同步輻射XRD測(cè)試，分析了這些樣品在電場(chǎng)下相結(jié)構(gòu)的演變過程，進(jìn)一步揭示了該陶瓷具有高的壓電和應(yīng)變性能的內(nèi)在機(jī)理。
　　(2)設(shè)計(jì)了一個(gè)新型的無鉛BF-BaTiO3-xBaZrO3(BF-BT-xBZ)三元體

4、系。通過介電、鐵電以及應(yīng)變性能的測(cè)試，結(jié)果表明室溫下存在非各態(tài)歷經(jīng)-各態(tài)歷經(jīng)弛豫相轉(zhuǎn)變。當(dāng)x=0.04時(shí)，Tf接近室溫，具有各態(tài)歷經(jīng)和非各態(tài)歷經(jīng)相共存，并獲得了大的應(yīng)變性能（7kV/mm，S～0.37％，d33*～528pm/V）和較小的滯后(Hys.～39％)。通過對(duì)不同電場(chǎng)和頻率下的應(yīng)變分析表明，其應(yīng)變主要是由于電場(chǎng)誘發(fā)的各態(tài)歷經(jīng)弛豫相-鐵電相的轉(zhuǎn)變，并發(fā)現(xiàn)大應(yīng)變具有較低的驅(qū)動(dòng)電場(chǎng)Eef和頻率不敏感特性，使得該材料在陶瓷驅(qū)動(dòng)器領(lǐng)域具

5、有一定的潛力。
　　(3)利用弛豫鐵電體Pb(Ni1/3Nb2/3)O3（PNN）與BMT相互取代，構(gòu)建了BMT-PT-xPNN三元體系。研究發(fā)現(xiàn)，該體系在室溫下存在非各態(tài)歷經(jīng)-各態(tài)歷經(jīng)-非各態(tài)歷經(jīng)相的演變過程。在這一過程中，在富BMT一側(cè)和富PNN一側(cè)的兩相共存區(qū)附近出現(xiàn)了兩個(gè)應(yīng)變極值，分別為x=0.2，S～0.36％，d33*～600pm/V;x=0.65，S～0.3％，d33*～420pm/V。有趣的是，富BMT一側(cè)組成的應(yīng)

6、變具有較大的應(yīng)變滯后但溫度穩(wěn)定性較好;相反，富PNN一側(cè)組成的應(yīng)變雖然具有較小的應(yīng)變滯后但對(duì)溫度變化比較敏感。分析表明這一現(xiàn)象歸因于BMT一側(cè)相比于PN、N一側(cè)組成的極性納米微區(qū)具有較大尺寸以及弱的活性。
　　(4)在BNiT-PT-xPMN(Pb(Mg1/3Nb2/3)O3）體系中，通過對(duì)BNiT和PMN的相互取代，發(fā)現(xiàn)兩端組成向中間變化弛豫程度逐漸增加，并觀測(cè)到在偽立方-四方相相變的同時(shí)伴隨著弛豫-鐵電的轉(zhuǎn)變。在較寬的組成范圍

7、內(nèi)0.15≤x≤0.4存在各態(tài)歷經(jīng)和非各態(tài)歷經(jīng)兩相的共存，從而獲得了對(duì)組成不敏感的大應(yīng)變平臺(tái)(S～0.36％，d33*=583pm/V)。通過該體系的機(jī)電應(yīng)變對(duì)溫度響應(yīng)特性的進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，不僅在Tf附近獲得大應(yīng)變，在Tfr附近也能夠獲大應(yīng)變，均由于電場(chǎng)誘發(fā)的各態(tài)歷經(jīng)弛豫相-鐵電相轉(zhuǎn)變的緣故。由于Tfr附近的各態(tài)歷經(jīng)相與長(zhǎng)程鐵電相具有更相似的自由能，因此Tfr溫度附近的大應(yīng)變具有低的滯后及驅(qū)動(dòng)電場(chǎng)，但應(yīng)變值相對(duì)較小。
　　(5)系

8、統(tǒng)研究分析了低損耗微波介質(zhì)材料Ba(Mg1/3Nb2/3)O3(BMN)與BF-BT構(gòu)建的BF-BT-xBMN三元體系的介電、鐵電以及能量存儲(chǔ)性能。研究發(fā)現(xiàn)，BMN的加入，成功調(diào)節(jié)了該體系的弛豫特性。當(dāng)BMN含量為x=0.06時(shí)，在12.5kV/mm電場(chǎng)下獲得高的Pmax(38μC/cm2)以及低的Pr(5.7μC/cm2)，導(dǎo)致其具有高的能量存儲(chǔ)性能:W1.56J/cm3，η～75％。這些結(jié)果主要?dú)w因于電場(chǎng)誘導(dǎo)的各態(tài)歷經(jīng)弛豫相-鐵電相

9、可逆轉(zhuǎn)變。此外，在25-190℃溫度范圍內(nèi)其能量存儲(chǔ)性能具有良好的熱穩(wěn)定性，這是由于各態(tài)歷經(jīng)和非各態(tài)歷經(jīng)弛豫相能在該溫度范圍內(nèi)同時(shí)共存，即兩相具有相似的自由能，在外加電場(chǎng)作用下該溫度范圍內(nèi)的各態(tài)歷經(jīng)弛豫相較容易的轉(zhuǎn)變?yōu)殚L(zhǎng)程鐵電相。
　　(6)利用與BF的容許因子差別較大的La(M1/2Ti1/2)O3(LMT)取代BF，構(gòu)建了BF-BT-xLMT三元體系。研究發(fā)現(xiàn)，LMT的加入更容易調(diào)節(jié)了該體系的弛豫特性，并在LMT含量為0.06