NBT-KBT-BT三元无铅压电陶瓷的制备及性能研究

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+、Mn2+和Co3+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+、Mn2+和Co3+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+、Mn2+和Co3+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Mn2+和Co3+含量较低时陶瓷的介电温谱有两个介电反常峰，当Mn2+和Co3+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=0.2mol.%处得到室温下最大的介电常数为1662，当y=1.0mol.%时获得最小的介电损耗为2.4%；NKBT4-zCo陶瓷在z=1.0mol.%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+、Mn2+和Co3+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Mn2+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Pr=48.93μC/cm2和Ec=3.47kV/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+、Mn2+和Co3+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。

目录

声明

第1章 绪论

1.1压电材料和铁电材料概述

1.1.1压电材料及其特点

1.1.2铁电材料及其特点

1.2 NBT基无铅压电陶瓷的研究现状

1.2.1 NBT基无铅压电陶瓷的相变研究

1.2.2 NBT基陶瓷A位掺杂改性研究进展

1.2.3 NBT基陶瓷B位掺杂改性研究进展

1.2.4 NBT基陶瓷A、B双位掺杂改性研究进展

1.2.5 非化学计量对NBT基陶瓷性能的影响

1.3 课题研究的意义及内容

1.3.1 课题研究的意义

1.3.2 课题研究的主要内容及思路

第2章 NBT基陶瓷的制备

2.1 样品制备

2.2 实验仪器

2.3 烧成温度对(1-2n)NBT-nKBT-nBT陶瓷致密度的影响

第3章 (1-2n)NBT-nKBT-nBT体系无铅压电陶瓷的结构与电性能研究

3.1 引言

3.2 (1-2n)NBT-nKBT-nBT陶瓷的结构与显微形貌

3.2.1 (1-2n)NBT-nKBT-nBT陶瓷的结构分析

3.2.2 (1-2n)NBT-nKBT-nBT陶瓷的显微形貌分析

3.3 (1-2n)NBT-nKBT-nBT陶瓷的电学性能

3.3.1 (1-2n)NBT-nKBT-nBT陶瓷的介电性能分析

3.3.2 (1-2n)NBT-nKBT-nBT陶瓷的铁电性能分析

3.3.3 (1-2n)NBT-nKBT-nBT陶瓷的压电性能分析

3.4 本章小结

第4章 Li+对NKBT4陶瓷的结构与性能的影响

4.1 引言

4.2 Li+对NKBT4陶瓷的结构与显微形貌的影响

4.2.1 NKBT4-xLi陶瓷的结构分析

4.2.2 NKBT4-xLi陶瓷的显微形貌分析

4.3 Li+对NKBT4陶瓷的电学性能的影响

4.3.1 NKBT4-xLi陶瓷的介电性能分析

4.3.2 NKBT4-xLi陶瓷的铁电性能分析

4.3.3 NKBT4-xLi陶瓷的压电性能分析

4.4 本章小结

第5章 Mn2+对NKBT4陶瓷结构与性能的影响

5.1 引言

5.2 Mn2+对NKBT4陶瓷结构与显微形貌的影响

5.2.1 NKBT4-yMn陶瓷的结构分析

5.2.2 NKBT4-yMn陶瓷的显微形貌分析

5.3 Mn2+对NKBT4陶瓷电学性能的影响

5.3.1 NKBT4-yMn陶瓷的介电性能分析

5.3.2 NKBT4-yMn陶瓷的铁电性能分析

5.3.3 NKBT4-yMn陶瓷的压电性能分析

5.4 本章小结

第6章 Co3+对NKBT4陶瓷结构与性能的影响

6.1 引言

6.2 Co3+对NKBT4陶瓷结构与显微形貌的影响

6.2.1 NKBT4-zCo陶瓷的结构分析

6.2.2 NKBT4-zCo陶瓷的显微形貌分析

6.3 Co3+对NKBT4陶瓷电学性能的影响

6.3.1 NKBT4-z Co陶瓷的介电性能分析

6.3.2 NKBT4-zCo陶瓷的铁电性能分析

6.3.3 NKBT4-zCo陶瓷的压电性能分析

6.4 本章小结

第7章 结论

参考文献

攻读学位期间的学术成果

致谢