钛酸铋钠基无铅压电陶瓷的制备与电致应变性能研究

发布时间：2017-09-11 07:43

  本文关键词：钛酸铋钠基无铅压电陶瓷的制备与电致应变性能研究

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【摘要】：压电陶瓷在现代社会中扮演着重要的角色,广泛地应用于传感器、驱动器、超声波马达以及滤波器等电子器件。钛酸铋钠(Bi0.5Na0.5TiO3,简称BNT)具有优良的铁电性和较大的机电耦合系数,被认为是最具潜力的无铅压电材料之一。2007年,人们在对BNT进行掺杂改性时发现了大电致应变效应。但引发大电致应变效应所需电场强度往往高于压电陶瓷实际工作环境,不利于其实用化。为此人们进行了诸多探索,并利用构建弛豫相-铁电相复相陶瓷的方法,成功降低了大电致应变效应所需电场强度。据此,本论文先制备BNT基二元固溶体以期获得大电致应变无铅压电陶瓷体系。再以此为基础制备复相无铅压电陶瓷,以探究复相陶瓷在低电场下的电致应变性能,并且研究了这些材料的结构、介电性质、铁电性能以及压电性能。(1)我们在BNT中引入SrTiO3(ST),构建了(1-x)BNT-xST(0.2≤x≤0.28)无铅压电陶瓷体系。X线衍射结果表明所有组分均形成了纯的钙钛矿结构,并呈准立方相。介电性质表明,在x≥0.22时体系表现出明显的弛豫铁电体特征。铁电性能表明,在BNT中引入ST降低了体系的铁电性,并在x≥0.22时观察到了类似反铁电体的电滞回线,表明ST破坏了BNT中的长程铁电畴并形成了非极性相。电致应变性能表明,在超过50 kV/cm的电场作用下,体系的单极应变值在x=0.26时达到最大,其在30、40、50、60及70 kV/cm的电场下d33*分别达到259、412、521、488及463 pm/V。(2)基于对BNT-ST体系的研究,我们在0.74BNT-0.26ST的基础上,构建了(1-y)(0.74BNT-0.26ST)-yBT(0.1≤y≤0.4)复相无铅压电陶瓷体系。在显微结构表征中观察到了两种不同晶粒的存在。介电性质表明,体系依然表现出弛豫特征。铁电性能表明,BT的引入显著增强了体系的铁电性。电致应变性能表明,在30kV/cm的电场作用下,y=0.2的组分获得了最大的单极应变(～0.10%),此时d33*=344pm/V。在低电场下的大电致应变效应来源于复相陶瓷中改变了的电场分布,该结构中弛豫相的电场强度得到提高,从而使得大电致应变效应可以在低电场下实现。
【关键词】：电致应变 复相压电陶瓷 驰豫铁电体 钛酸铋钠
【学位授予单位】：南京大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TQ174.1
【目录】：

• 摘要5-7
• Abstract7-12
• 第一章 绪论12-35
• 1.1 引言12
• 1.2 压电陶瓷理论概述12-18
• 1.2.1 压电效应12-13
• 1.2.2 铁电体13-15
• 1.2.3 弛豫铁电体15-16
• 1.2.4 压电陶瓷的主要性能参数16-18
• (1) 压电常数17
• (2) 机电耦合系数17
• (3) 居里温度17
• (4) 机械品质因数17-18
• (5) 介电常数18
• (6) 介电损耗18
• 1.3 无铅压电陶瓷18-27
• 1.3.1 压电陶瓷发展历史18-20
• 1.3.2 无铅压电陶瓷的研究意义20-21
• 1.3.3 常见的无铅压电陶瓷21-23
• (1) BaTiO_3基无铅压电陶瓷21-22
• (2) K_(0.5)Na_(0.5)NbO_3基无铅压电陶瓷22-23
• (3) Bi_(0.5)Na_(0.5)TiO_3基无铅压电陶瓷23
• 1.3.4 大电致应变BNT基无铅压电陶瓷23-25
• 1.3.5 复相BNT基无铅压电陶瓷25-27
• 1.4 本课题研究内容及设计思路27-29
• 参考文献29-35
• 第二章 钛酸铋钠基无铅压电陶瓷的制备过程及性能表征35-44
• 2.1 引言35
• 2.2 实验原料及实验仪器35-36
• 2.3 陶瓷样品制备工艺流程36-41
• 2.3.1 配料36-37
• 2.3.2 球磨37
• 2.3.3 预烧37-38
• 2.3.4 二次球磨38
• 2.3.5 造粒与压片成型38-39
• 2.3.5 排塑39
• 2.3.6 烧结39-40
• 2.3.7 磨片及被电极40
• 2.3.8 极化40-41
• 2.4 陶瓷样品结构与性能表征41-42
• 2.4.1 显微结构及相结构分析41
• 2.4.2 铁电性能分析41
• 2.4.3 压电性能分析41
• 2.4.4 介电性质分析41-42
• 2.5 小结42
• 参考文献42-44
• 第三章 钛酸铋钠-钛酸锶无铅压电陶瓷体系的性能研究44-59
• 3.1 引言44
• 3.2 实验结果及讨论44-56
• 3.2.1 BNT-xST无铅压电陶瓷体系相结构44-46
• 3.2.2 BNT-xST无铅压电陶瓷体系显微结构46-47
• 3.2.3 BNT-xST无铅压电陶瓷体系介电性质47-48
• 3.2.4 BNT-xST无铅压电陶瓷体系铁电性能48-51
• 3.2.5 BNT-xST无铅压电陶瓷体系电致应变性能51-56
• 3.3 小结56-57
• 参考文献57-59
• 第四章 钛酸铋钠-钛酸锶-钛酸钡无铅压电陶瓷体系的性能研究59-73
• 4.1 引言59
• 4.2 实验结果及讨论59-71
• 4.2.1 BNT-ST-yBT无铅压电陶瓷体系相结构59-60
• 4.2.2 BNT-ST-yBT无铅压电陶瓷体系显微结构60-62
• 4.2.3 BNT-ST-yBT无铅压电陶瓷体系介电性质62-63
• 4.2.4 BNT-ST-yBT无铅压电陶瓷体系铁电性能63-65
• 4.2.5 BNT-ST-yBT无铅压电陶瓷体系电致应变性能65-69
• 4.2.6 复相与固溶体无铅压电陶瓷性能对比69-71
• 4.3 小结71
• 参考文献71-73
• 第五章 结论与展望73-75
• 5.1 结论73-74
• 5.2 展望74-75
• 攻读硕士期间学术成果75-76
• 致谢76-77

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