BCZT基无铅压电陶瓷掺杂改性后组织与性能的研究

发布时间：2017-09-16 10:25

  本文关键词：BCZT基无铅压电陶瓷掺杂改性后组织与性能的研究

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【摘要】：(Ba,Ca)(Zr,Ti)O3(简称BCZT)基无铅压电陶瓷是通过BT基的A、B位离子复合取代而得,是一种性能优异的压电铁电材料。为了获得BCZT基无铅压电陶瓷优良的电性能,本论文以(Ba0.85Ca0.15)(Ti0.9Zr0.1)O3无铅压电陶瓷为基体,采用传统固相烧结法,以SnO2, Bi2O3、TbDyFe、Li2CO3为掺杂物,制备了BCZT基无铅压电陶瓷,研究了掺杂对无铅压电陶瓷的显微组织、相结构和电性能的影响。研究结果如下：(1) 研究了SnO2掺杂量对(Ba0.85Ca0.15)(Ti0.9Zr0.1-xSnx)O3(x=0.02,0.04,0.06,0.08mol)(简称BCZT-Sx)无铅压电陶瓷的相结构、电学性能及介电弛豫行为的影响。结果表明：所有样品均为纯的钙钛矿结构。在室温附近存在三方相-四方相的转变温度TR-T。随着SnO2掺杂量的增加,TR-T和居里温度Tc均向低温方向移动。陶瓷的弥散系数γ=1.76,具有典型的弥散相变特征与介电弛豫行为。当x=0.02 mol时,BCZT-Sx样品具有最佳的电性能：压电常数d33 = 553 pC/N,机电耦合系数kp=49%,相对介电常数εr~6045(1kHz),介电损耗tan δ- 1.7%(1 kHz),剩余极化强度Ec=2.2kV/cm矫顽场Pr=5.45μ(?)(2) 研究了Bi2O3掺杂量对Ec=2.2kV/cm简称(Ba0.85Ca0.15)(Ti0.9Zr0.08Sn0.02)O3-xBi203(x=0,0.02,0.04,0.06,0.08wt.%)(无铅压电陶瓷的显微组织、相结构和电学性能的影响。结果表明：所有组分均出现纯的钙钛矿结构衍射峰。随着Bi2O3掺杂量的增加,陶瓷样品的晶粒细化,组织较均匀。由介电温谱可知,掺杂Bi2O3后能提高BCZTS-xBi)无铅压电陶瓷的居里温度。当x=0.02wt.%时,BCZTS样品具有最佳的电性能：压电常数BCZTS-xBi机电耦合系数kp=41%,相对介电常数εr～3844(1 kHz),介电损耗d33 = 430 pC/N,剩余极化强度tanδ～1.8%(1 kHz),矫顽场Ec=3.65kV/cm;(3)研究了TbDyFe掺杂量对(Ba0.85Ca0.15)(Ti0.9Zr0.08Sn0.02)O3-xTbDyFe(x=0.1,0.2,0.3,0.4wt.%)(简称BCZTS-xTbDyFe)无铅压电陶瓷的微观组织、相结构和电性能的影响。结果表明：TbDyFe掺杂(Ba0.85Ca0.15)(Ti0.9Zr0.08Sn0.02)O3无铅压电陶瓷后均形成了典型的ABO3型钙钛矿结构固溶体；所有样品显微组织较均匀,晶界基本无孔洞。掺杂TbDyFe后降低了BCZTS无铅压电陶瓷的居里温度。当x=0.1wt.%时,BCZTS-xTbDyFe样品具有最佳的电性能：d33 = 500 pC/N, kp = 40 %, εr ~ 5955, tan δ ~ 1.9 %, Pr=6.6 μC /cm2, Ec=2 kV/cm。(4)研究了Li2CO3掺杂量对0.5Ba(Zr0.2Ti0.8)O3-0.5(Ba0.7Ca0.3)TiO3-x Li2 CO3 (x=0.5, 1, 2和3wt.%)(简称BCZT-xLi)无铅压电陶瓷的显微组织、相结构和电性能的影响。结果表明：当x≤2wt.%时,所有样品均形成了纯的ABO3型钙钛矿结构；当x2wt.%时,有新相生成,说明Li2CO3掺杂量已经超过BCZT固溶度极限。由样品SEM可知,所有样品显微组织较均匀,晶界清晰,晶界处有少量的孔洞。当x=0.5wt.%时, BCZT-xLi陶瓷具有最佳的电性能,即d33=164pC/N kp= 44 %,εr =2365, tan δ = 1.78 %。
【关键词】：掺杂改性 无铅压电陶瓷 微观组织结构 电性能
【学位授予单位】：贵州大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TM282
【目录】：

• 摘要4-6
• Abstract6-8
• 第一章 绪论8-27
• 1.1 压电陶瓷材料概述8-18
• 1.1.1 压电效应8-10
• 1.1.2 铁电体10-12
• 1.1.3 压电陶瓷材料12-14
• 1.1.4 压电陶瓷的主要性能参数14-18
• 1.2 无铅压电陶瓷的研究现状18-22
• 1.2.1 钛酸钡ABO_3型无铅压电陶瓷18-21
• 1.2.2 铌酸钾钠基(KNN)无铅压电陶瓷21
• 1.2.3 钛酸铋钠基(BNT)无铅压电陶瓷21-22
• 1.3 BCZT基无铅压电陶瓷的改性方法22-25
• 1.3.1 离子掺杂改性22-24
• 1.3.2 BCZT中Ba/Ca或Ti/Zr比的调整24
• 1.3.3 工艺改进24-25
• 1.3.4 体系复合25
• 1.4 本文的研究目的及内容25-27
• 第二章 实验材料及试验方法27-33
• 2.1 实验材料27-28
• 2.2 试验方法28-33
• 2.2.1 试验设备28-29
• 2.2.2 陶瓷的制备流程29-31
• 2.2.3 物相分析31
• 2.2.4 显微组织分析31
• 2.2.5 压电性能31
• 2.2.6 室温介电性能31-32
• 2.2.7 平面机电耦合系数32
• 2.2.8 居里温度32
• 2.2.9 铁电性能32-33
• 第三章 SnO_2掺杂对BCZT压电陶瓷电学性能及介电弛豫的影响33-41
• 3.1 SnO_2掺杂对BCZT陶瓷相结构的影响33-34
• 3.2 SnO_2掺杂对不同温度下介电性能的影响34-35
• 3.3 SnO_2掺杂对陶瓷弥散相变的影响35-38
• 3.4 SnO_2掺杂对室温电性能的影响38-39
• 3.5 SnO_2掺杂对铁电性能的影响39-40
• 3.6 本章小结40-41
• 第四章 Bi_2O_3掺杂对BCZTS压电陶瓷相结构及电学性能的影响41-48
• 4.1 Bi_2O_3掺杂对相结构的影响41-42
• 4.2 Bi_2O_3掺杂对显微组织的影响42-43
• 4.3 Bi_2O_3掺杂对室温电性能的影响43-45
• 4.4 Bi_2O_3掺杂对不同温度下介电性能的影响45-46
• 4.5 Bi_2O_3掺杂对铁电性能的影响46
• 4.6 本章小结46-48
• 第五章 TbDyFe掺杂对BCZTS陶瓷相结构及电学性能的影响48-55
• 5.1 TbDyFe掺杂对相结构的影响48-49
• 5.2 TbDyFe掺杂对显微组织结构的影响49-50
• 5.3 TbDyFe掺杂对不同温度下介电性能的影响50-52
• 5.4 TbDyFe掺杂对铁电性能的影响52
• 5.5 TbDyFe掺杂对室温电性能的影响52-54
• 5.6 本章小结54-55
• 第六章 Li_2CO_3掺杂对BCZT基陶瓷电性能的影响55-60
• 6.1 Li_2CO_3掺杂对相结构的影响55-56
• 6.2 Li_2CO_3掺杂对显微组织的影响56-58
• 6.3 Li_2CO_3掺杂对室温电性能的影响58-59
• 6.4 本章小结59-60
• 第七章 结论60-62
• 参考文献62-68
• 致谢68-69
• 攻读硕士学位期间发表的论文69-70

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