位置选择掺杂钛锡酸钡陶瓷的结构及性能的研究

发布时间：2020-08-04 06:56

【摘要】：近年来,Ba(Ti1-xSnx)O3(BTSx)基无铅陶瓷以其优异的压电、介电和铁电性能,成为最有潜力取代铅基陶瓷的无铅体系之一,有望在压电致动器、铁电随机存储器、多层压电器件和电容器等领域获得广泛的应用。此外,据报道BTSx基陶瓷通过离子掺杂与PZT基陶瓷相比具有竞争性压电性。因此本文设计了 Ba(Ti0.92Sn0.08)O3(BTS0.08)为基本组元,采用传统电子陶瓷固相合成工艺分别制备了 A位Ca单掺杂、A位Li-Al及Li-Nb共掺杂BTS0.08无铅压电陶瓷来提高陶瓷的电性能。通过XRD、SEM、ROMAN等测试分析技术,系统的研究了 A位掺杂对BTS0.08无铅压电陶瓷体系微观形貌、相结构、介电性能、压电性能、铁电性能、电致伸缩效应以及介电可调性能的影响。(1)A位Ca单掺杂Ba1-xCax(Ti0.92Sn0.08)O3-0.5%Mn02(BCxTS0.08-M)陶瓷:通过常规固态反应方法制备具有组成(x=0.01、0.03、0.05、0.07、0.09)的体系。X射线衍射、拉曼衍射和铁电相图证实了室温下陶瓷由正交相(x≤0.03)向正交相和四方相共存(x=0.05)过渡再转变为四方相(x≥0.07)。Ca适量掺杂使BCxTS0.08-M陶瓷的弛豫性逐渐降低,样品的退极化温度几乎没有变化表明陶瓷良好的温度稳定性。BCxTS0.08-M陶瓷的压电系数d33、平面机电耦合系数kp、单极应变Smax、逆压电系数d33*和偏场压电常数d33max均在x=0.05取得最佳值:d33=700pC/N,kp=0.497,Smax=0.054%@ 5kV/cm,d33*=1084pm/V@5kV/cm、d33max=1565 pm/V。这些结果表明低能垒对于畴极化翻转和延伸在正交-四方(O-T)两相共存区有利于提高压电性能。(2)A位Li-Al共掺杂Ba1-2xLixAlx(Ti0.92Sn0.08)O3-0.5%MnO2(BLxAxTS0.08-M)陶瓷:通过常规固态反应方法制备具有组成(x=0、0.5%、1.0%、1.5%、2.0%、2.5%)的体系。适量Li-Al掺杂增加了BLxAxTS0.08-M陶瓷的相对密度,但平均晶粒尺寸逐渐降低,通过X射线衍射和铁电相图证实了室温下成分(x=0-2.5%)为正交相。另外也可以通过调节小信号电压来获得最佳的偏场压电系数d33max和可观的介电可调效率ηr。BLxAxTS0.08-M陶瓷的压电系数d33、平面机电耦合系数kp、剩余极化强度Pr、单极应变Smax、逆压电系数d33*、偏场压电系数d33max、介电可调效率ηr、品质因数FOM均在x=0.5%取得最佳值:d33= 620pC/N、kp=0.457、Smax=0.068%@5kV/cm、Pr=12.63μC/cm2、d33*=1360pm/V@ 5kV/cm、d33max=1003 pm/V、ηr= 96.91%、FOM=19.38。此外,在成分x=0.5%中也观察到具有良好的电致伸缩效应,并且大的电致伸缩系数Q33=0.034m4C-2在25℃～90℃温度范围内显示出优异的温度稳定性。(3)A位Li-Nb共掺杂Ba1-2xLiNb.x(Ti0.92Sn0.08)O3-0.5%MnO2(BLxNxTS0.08-M)陶瓷:通过常规固态反应方法制备具有组成(x=0、0.25%、0.50%、0.75%、1.20%)的体系。适量Li-Nb掺杂降低了BLxNxTS0.08-M陶瓷的平均晶粒尺寸,但相对密度和弛豫性略有增加,通过x射线衍射和铁电相图证实了室温下成分(x=0-1.20%)为正交相。BLxNxTS0.08-M陶瓷的压电系数d33、平面机电耦合系数kp、剩余极化强度Pr、单极应变Smax和逆压电系数d33*、偏场压电系数d33max均在x=0.50%取得最佳值:d33=805pC/N、kp=0.519、Pr= 12.60μC/cm2、Smax=13%@ 30kV/cm、d33*=433 pm/V@30kV/cm、d33max=1620 pm/V。此外,在成分x=0.50%中也观察到具有良好的电致伸缩效应,并且大的电致伸缩系数O33=0.0355m4C-2在25℃～90℃温度范围内显示出优异的温度稳定性。
【学位授予单位】：桂林电子科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TM282
【图文】：

§1.3 钙钛矿压电陶瓷材料的特点和分类众所周知，压电陶瓷材料的结构多种多样，其中以钙钛矿结构压电陶瓷最为常见[15,16]。由于钙钛矿结构压电陶瓷材料广泛应用于各行各业，因此本文对钙钛矿体系结构特点、种类作简单的梳理。目前研究最热的压电材料当属具有钙钛矿结构（perovskite structure）的压电陶瓷材料，通常表示为 ABO3。该体系结构最吸引人的地方就是在 A/B 位可以使周期表上的多数元素组合形成具有不同特性的钙钛矿化合物[17]。理想型立方钙钛矿结构示意图如图 1-1 所示，A 位阳离子占据钙钛矿结构的顶角位置、B 位相对较小阳离子占据体心位置、负二价氧离子占据面心位置。我们所说的氧八面体是由 B 位阳离子与相邻周围的氧离子构成的，并且 A 位阳离子则占据在氧八面体空隙位置[18]。众所周知，立方钙钛矿结构容易发生晶格畸变是由于内部不稳定造成的，通常发生晶格畸变的是B 位阳离子偏离立方体心和氧八面体旋转从而导致该结构的电学性能发生改变。钙钛矿结构晶格畸变如 1-2 示意图所示，A/B 位离子由起始位置偏离从而导致氧八面体旋转而产生形式各异的空间群结构 (a-a-a-、a0a0a0和 a-a-c+[19])。

§1.3 钙钛矿压电陶瓷材料的特点和分类众所周知，压电陶瓷材料的结构多种多样，其中以钙钛矿结构压电陶瓷最为常见[15,16]。由于钙钛矿结构压电陶瓷材料广泛应用于各行各业，因此本文对钙钛矿体系结构特点、种类作简单的梳理。目前研究最热的压电材料当属具有钙钛矿结构（perovskite structure）的压电陶瓷材料，通常表示为 ABO3。该体系结构最吸引人的地方就是在 A/B 位可以使周期表上的多数元素组合形成具有不同特性的钙钛矿化合物[17]。理想型立方钙钛矿结构示意图如图 1-1 所示，A 位阳离子占据钙钛矿结构的顶角位置、B 位相对较小阳离子占据体心位置、负二价氧离子占据面心位置。我们所说的氧八面体是由 B 位阳离子与相邻周围的氧离子构成的，并且 A 位阳离子则占据在氧八面体空隙位置[18]。众所周知，立方钙钛矿结构容易发生晶格畸变是由于内部不稳定造成的，通常发生晶格畸变的是B 位阳离子偏离立方体心和氧八面体旋转从而导致该结构的电学性能发生改变。钙钛矿结构晶格畸变如 1-2 示意图所示，A/B 位离子由起始位置偏离从而导致氧八面体旋转而产生形式各异的空间群结构 (a-a-a-、a0a0a0和 a-a-c+[19])。

基压电陶瓷钛酸铋钠 (BNT) 自从 1960 年被 Smolensky 等人发现到现在被人们称为相变过程最为复杂的钙钛矿铁电体，钛酸铋钠在升温过程中会发生复杂的相变如图1-3所示，

【参考文献】

相关期刊论文 前3条

1 肖定全;;钙钛矿型无铅压电陶瓷研究进展及今后发展思考[J];人工晶体学报;2012年S1期

2 沈宗洋;李敬锋;;(Na,K)NbO_3基无铅压电陶瓷的研究进展[J];硅酸盐学报;2010年03期

3 赵明磊,钟维烈,王春雷,王矜奉,张沛霖;钛酸铋钠系铁电体的相变研究[J];物理学报;2002年08期

相关博士学位论文 前7条

1 马晓;Bi_(0.5)Na_(0.5)TiO_3无铅压电材料的合成及性能研究[D];华中科技大学;2014年

2 谭永强;钛酸钡陶瓷的压电晶粒尺寸效应及压电物性改性[D];山东大学;2014年

3 李彩霞;钛酸钡钙基无铅铁电陶瓷的压电性和多铁性研究[D];哈尔滨工业大学;2014年

4 刘成;钙钛矿型无铅铁电陶瓷的介电与压电性能研究[D];陕西师范大学;2013年

5 高勇;铌酸钾钠基陶瓷的压电性和温度稳定性的研究[D];山东大学;2013年

6 邹亚囡;钛酸钡基无铅压电复合陶瓷性能的研究[D];天津大学;2012年

7 杜鹃;无铅压电陶瓷性能和温度稳定性的研究[D];山东大学;2009年

相关硕士学位论文 前7条

1 程仁飞;BNT基无铅压电陶瓷的制备及掺杂改性研究[D];聊城大学;2016年

2 张鑫;锡钛酸钡体系陶瓷的介电、铁电及巨电热性能研究[D];南京大学;2015年

3 李岩;高电致应变无铅压电材料的制备研究[D];上海师范大学;2015年

4 张雅婷;BNT基无铅压电陶瓷的制备及其性能研究[D];南京航空航天大学;2015年

5 孙涛;低温烧结高性能锆钛酸钡钙基无铅压电陶瓷[D];天津大学;2012年

6 宋武辉;Na_(0.5)Bi_(0.5)TiO_3基压电陶瓷介电、铁电及电致应变研究[D];陕西师范大学;2012年

7 郭晓赞;钛酸钡基无铅压电陶瓷的研究[D];天津大学;2012年

本文编号：2780209