NBT-KBT-BT三元无铅压电陶瓷的制备及性能研究

发布时间：2020-03-21 18:37

【摘要】：本文采用固相合成方法制备(1-2n)NBT-nKBT-nBT体系无铅压电陶瓷,以及Li~+、Mn~(2+)和Co~(3+)掺杂的NKBT4陶瓷,通过X-射线衍射测试分析确定了(1-2n)NBT-nKBT-nBT体系陶瓷的准同型相界以及掺杂离子对NKBT4陶瓷相结构的影响,所有样品都进行了压电性能、变温电滞回线和不同频率下变温介电性能测试,得到如下结论:(1)X-射线衍射分析得到(1-2n)NBT-nKBT-nBT体系陶瓷的三方相、四方相准同型相界在n=0.04~0.08之间存在;Li~+、Mn~(2+)和Co~(3+)掺杂NKBT4陶瓷的XRD图分析得出这三种离子并没有改变NKBT4陶瓷的晶型结构。(1-2n)NBT-nKBT-nBT陶瓷的SEM表明KBT和BT引入会减小NBT陶瓷的晶粒尺寸,Li~+、Mn~(2+)和Co~(3+)掺杂NKBT4陶瓷的SEM表明这三种离子引入会使NKBT4陶瓷的晶粒尺寸增加。(2)对(1-2n)NBT-nKBT-nBT陶瓷和NKBT4-xLi陶瓷的介电-温度谱图分析,发现陶瓷在升温过程中存在两个介电峰,一个介电损耗峰,并且存在铁电相-反铁电相-顺电相的相变过程。(1-2n)NBT-nKBT-nBT陶瓷在n=0.06处得到室温下最大的介电常数为1715,在n=0.04处得到室温下最小的介电损耗为4.3%。NKBT4-yMn陶瓷和NKBT4-zCo陶瓷的介电-温度谱图表明在Mn~(2+)和Co~(3+)含量较低时陶瓷的介电温谱有两个介电反常峰,当Mn~(2+)和Co~(3+)含量较高时只有一个介电峰。NKBT4-yMn陶瓷的最佳介电性能,在y=0.2 mol.%处得到室温下最大的介电常数为1662,当y=1.0 mol.%时获得最小的介电损耗为2.4%;NKBT4-zCo陶瓷在z=1.0 mol.%时得到最小的介电损耗为1.48%。(3)利用修正的居里-外斯定律对本文中陶瓷样品的介电常数进行拟合,发现所有样品的弥散系数都介于1和2之间,表示所有陶瓷都为弛豫型铁电体。这主要是由于陶瓷是A位由多种离子共同取代的复合钙钛矿结构铁电体,在纳米尺度上存在组分分布不均的情况,从而造成陶瓷具有弛豫的特征。(4)NKBT4-xLi陶瓷、NKBT4-yMn陶瓷和NKBT4-zCo陶瓷的变温电滞回线表明,Li~+、Mn~(2+)和Co~(3+)都可以使NKBT4陶瓷在室温下的剩余极化增强,同时矫顽电场减小,其中Mn~(2+)对NKBT4陶瓷的铁电性能影响最大,室温下y=0.6mol.%时得到NKBT4-yMn体系陶瓷的最大剩余极化和最小矫顽电场,分别为P_r=48.93μC/cm~2和E_c=3.47 kV/mm。(5)(1-2n)NBT-nKBT-nBT陶瓷在n=0.08处获得最大的压电常数和机电耦合系数,分别为146pC/N和26.5%,在n=0.04处具有最大的机械品质因数为287。对Li~+、Mn~(2+)和Co~(3+)掺杂的NKBT4陶瓷的压电性能分析表明,这三种离子都可以提高NKBT4陶瓷的压电性能,这可能是由于小半径的离子取代了陶瓷晶格中半径较大的离子,使陶瓷的晶格发生畸变,电畴转化更容易发生,因此会提高NKBT4陶瓷的剩余极化和压电性能。
【图文】：

正压电效应,压电效应,逆压电效应,示意图

在压电材料的应用市场中占主要市场份额的是锆钛酸铅(PZT)基压电陶瓷[4,5]，应用的领域有如陶瓷过滤器、执行器、超声波电机、压电传感器、压电马达和医学超声波换能器[6-9]等。然而，PZT 中的主要原料氧化铅(约为 70 %)在制备过程中铅元素在高温条件下烧结时会挥发，有毒元素铅的泄露在人类和动物的体内累积到一定的含量之后会造成死亡，对于环境来说主要是对空气的污染以及在土地中沉积的大量有害物质会间接地进入到人类或动物的体内，造成二次伤害，，因此研发出一种无毒无害且压电性能可以与 PZT 基陶瓷相媲美的无铅压电材料来代替铅基压电陶瓷已经成为研究领域里急需解决的重要课题之一[10]。1.1 压电材料和铁电材料概述1.1.1 压电材料及其特点某些没有对称中心的晶体具有能够使机械能与电能发生相互转化的能力，这种能力被称为压电效应，具有这一特性的材料被称为压电材料[11]。对于上述晶体可以用图 1-1 来解释这种效应的产生。图 1-1(a)为正压电效应产生的示意

电滞回线,铁电体,反铁电体

铁电体电滞回线图
【学位授予单位】：武汉理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TQ174.7

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