無鉛壓電陶瓷BNT-BKT-BiMeO-,3-(Me=Fe、Cr、Co)電性能及機理研究.pdf

1、基于Bi基鈣鈦礦型鐵電體BiMeO3(Me=Fe，Cr，Co)具有良好的鐵電性和高居里溫度以及三元系陶瓷能在更寬成分范圍內(nèi)調(diào)節(jié)性能以滿足實際應(yīng)用。本文選擇BiMeO3作為第三組元添加到三方、四方可調(diào)控的、壓電性能較好的二元系(Bi1/2Na1/2)TiO3-(Bi1/2K1/2)TiO3(BNT-BKT)中，研究新型Bi基三元系鈣鈦礦型(1-x-y)BNT-xBKT-yBiMeO3(Me=Fe，Cr，Co)無鉛壓電陶瓷的結(jié)構(gòu)，顯微組織，

2、介電壓電性能、彌散相變、介電弛豫和退極化溫度，分析了Bi基鐵電體BiMeO3(Me=Fe，Cr，Co)對(1-x-y)BNT-xBKT-yBiMeO3陶瓷的影響和特殊作用。主要研究內(nèi)容和創(chuàng)新之處如下： 系統(tǒng)研究了新型Bi基三元體系鈣鈦礦型(1-x-y)BNT-xBKT-yBiMeO3(Me=Fe，Cr，Co)無鉛壓電陶瓷的成分與結(jié)構(gòu)，顯微組織，介電壓電性能的關(guān)系。XRD結(jié)果表明其準同型相界的成分范圍為：x=0.18～0.21，y

3、(BiFeO3)=0～0.05，y(BiCrO3)=0～0.02，y(BiCoO3)=0～0.03。在準同型相界的組分具有較好的壓電性能：(1)x=0.18，y(BiFeO3)=0.03時，d33=171 pC/N，kp=0，366；(2)x=0.18，y(BiCrO3)=0.015時，d33=168pC/N，x=0.18，y(BiCrO3)=0.01時，kp=0.32；(3)x=0.21，y(BiCoO3)=0.01時，d33=156

4、 pC/N，kp=0.34。 系統(tǒng)研究了A位非化學(xué)計量對(1-x-y)BNT-xBKT-yBiMeO3(Me=Fe，Cr，Co)體系準同型相界附近組分的結(jié)構(gòu)、顯微組織，介電壓電性能的影響。發(fā)現(xiàn)A位微量非化學(xué)計量對陶瓷的結(jié)構(gòu)和顯微組織的影響不明顯，但A位過量與不足較多時，會析出條狀第二相晶粒。A位非化學(xué)計量通常降低陶瓷的壓電性能，但在(1-x-y)BNT-xBKT-yBiFeO3體系陶瓷中，d33隨A位過量的增加變化不大，在(1-

5、x-y)BNT-xBKT-yBiCoO3體系陶瓷中，d33在A位微量不足時增加。 采用液氮冷卻低溫凍結(jié)疇壁運動研究影響(1-x-y)BNT-xBKT-yBiMeO3(Me=Fe，Cr)陶瓷壓電、介電性能的作用機理。提出了本征貢獻與非本征貢獻影響該陶瓷壓電介電性能的機理。微量BiFeO3提高非本征壓電貢獻，從而提高陶瓷的壓電性能，而微量BiCrO3降低非本征介電貢獻。陶瓷壓電性能隨BiMeO3與BKT含量增加而下降主要是晶體結(jié)構(gòu)改

6、變降低本征壓電貢獻的結(jié)果。 在A位非化學(xué)計量的(1-x-y)BNT-xBKT-yBiFeO3陶瓷中采用極化相位角θmax衡量極化程度，發(fā)現(xiàn)d33與kp具有不同的作用機理。隨應(yīng)力增加，壓電常數(shù)d33在低于臨界應(yīng)力下基本不變，當應(yīng)力高于臨界應(yīng)力后d33下降，不同成分的陶瓷具有不同的臨界應(yīng)力。陶瓷中應(yīng)力對疇壁運動與彈性偶極子的作用是影響陶瓷d33的作用機理之一。 系統(tǒng)研究了(1-X-y)BNT-xBKT-yBiMeO3(Me=

7、Fe，Cr，Co)陶瓷的介電溫譜，發(fā)現(xiàn)(1-x-y)BNT-xBKT-yBiMeO3(Me=Fe，Cr)體系存在兩個介電反常峰與一個介電損耗峰。低溫介電反常峰溫度的介電常數(shù)存在明顯的頻率依賴性。(1-x-y)BNT-xBKT-yBiCoO3體系陶瓷隨BiCoO3含量增加低溫介電反常峰消失。分析了典型弛豫鐵電體和普通鐵電體的區(qū)別，首次提出了將弛豫鐵電體分為本征弛豫鐵電體和非本征弛豫鐵電體的理論。通過分析陶瓷極化前和極化后的介電溫譜以及介電

8、頻率差異隨溫度的變化規(guī)律，提出(1-x-y)BNT-xBKT-yBiMeO3(Me=Fe，Cr，Co)陶瓷低溫介電反常峰附近介電常數(shù)的頻率依賴性主要是空間電荷和缺陷偶極子極化引起的非本征弛豫。 采用機電耦合系數(shù)kp和極化相位角θmax隨溫度的變化關(guān)系確定(1-x-y)BNT-xBKT-yBiMeO3(Me=Fe，Cr，Co)壓電陶瓷的退極化溫度。kp與θmax確定的退極化溫度基本一致，退極化溫度與介電損耗峰溫度基本相同，但都低于

9、低溫介電反常峰溫度，其退極化溫度隨BiMeO3含量的增加而降低。 系統(tǒng)分析了Bi基鐵電體BiMeO3(Me=Fe，Cr，Co)對(1-x-y)BNT-xBKT-yBiMeO3陶瓷的晶體結(jié)構(gòu)，顯微組織，介電壓電性能，弛豫特性與退極化溫度的影響規(guī)律。BiCoO3對陶瓷顯微組織影響最明顯，促進陶瓷晶粒明顯長大，BiFeO3次之，BiCrO3對晶粒的影響較小。BiMeO3(Me=Fe，Cr)起軟性添加物的作用，BiCoO3起軟性和硬性添

10、加物的雙重作用。其中BiFeO3對壓電性能的提高最明顯，同時隨BiFeO3含量的增加其壓電性能的成分穩(wěn)定性較好。(1-x-y)BNT-xBKT-yBiMeO3(Me=Fe，Cr)體系陶瓷的介電特性相似。BiCoO3對陶瓷介電特性的影響與BiMeO3(Me=Fe，Cr)不同，隨BiCoO3含量的增加，低溫介電反常峰消失，出現(xiàn)兩個介電損耗峰，在研究的溫度范圍內(nèi)都存在明顯的頻率依賴性。Bi基鐵電體BiMeO3(Me=Fe，Cr，Co)對(1-