BNT-BT基反铁电储能陶瓷的设计、制备及电学性能研究

发布时间：2020-05-23 04:41

【摘要】：钛酸铋钠-钛酸钡(BNT-BT)基钙钛矿型无铅反铁电材料具有非常优异的电学性能,是目前公认的有可能替代锆钛酸铅系材料(PZT)的候选者之一,其可以通过掺杂一些活性元素或化合物而形成准同型相界(MPB)组分的固溶体,使得掺杂后的组分不仅具有高的介电性能,还能兼具较高的储能性能。本文以BNT-BT为研究对象,通过A/B位元素(La、Zr、Sn、Mg、Nb、Sr)或化合物(KNN、Mg4Nb2O9等)的成分掺杂改性以及烧结参数的工艺改性研究,采用固相反应合成法制备样品,通过SEM、XRD、精密阻抗分析仪、铁电分析仪、热重分析仪测量研究了该陶瓷的显微组织、晶体结构、体积密度、压电性能、介电性能、抗击穿性能、储能性能以及相变行为等,揭示了掺杂元素或化合物在晶体结构中的存在形式及对其性能的影响,阐明了各体系陶瓷准同型相界存在的规律。得到主要的研究结果如下。1.球磨时间、坯料压力、煅烧温度和烧结温度等工艺参数对BNT-BT基陶瓷的致密度和晶粒尺度影响显著。当球磨时间控制在15h左右,采用300MPa压制成型,在800℃下锻烧并在1150℃左右下进行最终烧结,所获得的陶瓷材料成瓷理想、致密度高且晶粒细小。2.在[(Bi1/2Na1/2)0.94Ba0.06](1-1.5x)LaxTiO3(x=0,0.02,0.04,0.06)陶瓷中,由于La元素的加入引起了钙钛矿相的(200)衍射峰的劈裂,表明A位掺杂La可使陶瓷在室温下出现准同型相界。陶瓷的介电损耗tan δ在TTc时随着电场频率的升高而增加,在TTc时随着电场频率的升高而减小;当x增加到0.06时,最大极化强度减小到7.2μC/cm2,Pr剩余极化强度则由2.5 μc/cm2减小到0.65 μC/cm2,明显低于未掺杂(x=0)陶瓷的最大极化强度15 μC/cm2。当La元素含量在0.02时,储能密度最大达到0.34J/cm3。3.在[(Bi1/2Na1/2)0.92 Ba0.05La0.02]ZrxTi(1-x)03(x=0,0.02,0.04,0.06)陶瓷中,随着Zr含量的增加,材料的MPB区域进一步扩大。随着Zr含量的增加,样品中晶粒尺寸在逐渐减少的同时,介电常数也在逐渐减少,而介电弛豫弥散度相应增加,低温段的介电常数峰有明显的频率色散特征,而高温段的介电常数峰的频率色散特征不明显,即在MPB区域内频率色散不明显;材料的最大抗击穿强度和储能密度均先增加后减小,当Zr含量为0.04时,抗击穿强度达到最大值90 kV/cm,而储能密度达到最大值1.58J/cm3。4.在[(Bi1/2Na1/2)0.92Ba0.05La0.02][SnxZr(0.95-x)Ti0.05]O3(x=0,0.03,0.06,0.09)陶瓷中,随着Sn元素含量的增加,组织形貌上没有得到明显变化,晶粒尺寸则有明显变大趋势,钙钛矿结构的(200)衍射峰分裂现象也逐渐消失而(111)峰逐渐锐化,说明四方相晶体结构逐渐减少而三方相结构比例增加,即Sn元素掺杂会导致陶瓷材料逐渐远离三方和四方相共存区,从而使其从反铁电陶瓷转变为铁电陶瓷,而显著恶化了该体系材料的电学性能。5.在采用KNaNbO3化合物和A位Sr元素掺杂制备的三元体系BNT-BT-KNN陶瓷中,随着Sr元素掺杂量的增加,陶瓷样品晶粒尺寸明显趋于变小,当x≥0.05时,晶粒平均尺寸在3μm左右;三元陶瓷仍为纯的钙钛矿相结构,无其他杂相衍射峰存在,Sr含量的增加导致(200)峰的分裂现象更为显著,表明Sr元素掺杂能促进三方相-四方相的转变和有效扩大MPB区域,提高了该体系材料的居里温度。虽然介电常数最大值从5000减小到3500左右,但是材料的介电损耗明显降低、介电性能稳定性大幅提升。6.在[(Bi1/2Na1/2)0.92Ba0.05La0.02](Mg1/3Nb2/3)xTi(1-0.5x)O3(x=0.01,0.03,0.05,0.07)陶瓷中,随着B位掺杂化合物Mg4Nb2O9含量的增加,陶瓷材料的晶粒尺寸逐渐变小,尽管储能性能低于单元素掺杂,但剩余极化强度Pr降幅明显,从x=0.01时的38.9μC/cm2降为x=0.05时的10.4 μC/cm2,且最大极化强度Pmax和剩余极化强度Pr之间的差值越来越大,说明Mg、Nb元素的加入增加了反铁电相的转变趋势。7.BNT-BT基反铁电陶瓷的储能性能与MPB区域的范围密切相关,而MPB区域范围可通过A位和B位以及化合物掺杂进行调整。掺杂元素的引入导致材料容忍因子值发生变化,当容忍因子介于0.7530-0.7803时,单元素掺杂的陶瓷材料存在较大范围的MPB区域,当Ti或Zr元素在组成中占主导地位时,其含量在0.92mol以上,均存在MPB区域,这与含铅PZT陶瓷研究报道的仅当Zr:Ti=52:48时才存在MPB区不一致,意味着含铅反铁电材料和无铅反铁电材料的反铁电区域以及相结构有很大的差异。
【图文】：

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图 1-2 铁电体电滞回线示意图【27】 Schematic representation of hysteresis loop for ferroelectric ceramics【究者们在判断一种材料是否是铁电体时，把是否存在电滞
【学位授予单位】：西安理工大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TQ174.75

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本文编号：2677166