(Na0.5Bi0.5)TiO3基无铅压电陶瓷的结构与电性能研究

摘要

钛酸铋钠((Na0.5Bi0.5TiO3，简称NBT)是一类钙钛矿型的A位离子复合取代铁电体，其居里温度为320℃，室温下为铁电三方相，自发极化强度为38μC/cm2，由于其较强的铁电性和较高的居里温度，所以近年来得到了广泛的研究，被认为是最有希望的无铅压电陶瓷材料之一。本文采用传统固相法制备了NBT基无铅压电陶瓷，研究了材料的电性能与其组成、结构之间的关系，并结合材料的介电温谱和变温电滞回线探讨了陶瓷在升温过程中可能发生的相变特性。研究内容主要由以下三部分组成：
　　(1)(1-x)(Na0.9K0.1)0.5Bi0.5TiO3-xBa0.7Ca0.3TiO3[(1-x)NKBT-xBCT]无铅压电陶瓷。研究了不同BCT含量(x=0，0.02，0.04，0.05，0.06，0.07)对NKBT陶瓷结构与电性能的影响。结果表明：所有样品均形成纯的钙钛矿结构，体系陶瓷的准同型相界(MPB)位于0.04≤x≤0.06。随着BCT掺量的增加，样品的退极化温度Td逐渐向低温方向移动，压电常数d33和平面机电耦合系数kp均先升高后降低，弛豫性先增强后减弱。系列陶瓷电性能较佳：x=0.05时，kp最大，为0.29。当x=0.06时，样品的综合性能较好，其中 d33=168pC/N，kp=0.26，相对介电常数εr=1280，介质损耗tanδ=3.7％，剩余极化强度Pr=37μC/cm2，矫顽场Ec=18.8 kV/cm。并且变温电滞回线和介电温谱表明体系陶瓷在Td以上可能存在极性相与非极性相共存。
　　(2) Bi补偿的(0.84-x)Na0.5Bi0.5TiO3-0.16K0.5Bi0.5TiO3-xSrTiO3(简称 NBT-KBT-xST)无铅压电陶瓷。研究了不同 ST掺量对体系陶瓷的结构与电性能的影响规律。结果表明：在掺杂范围内(0≤x≤0.06)，材料均能形成单一的钙钛矿固溶体结构。随着x的增加，陶瓷晶体结构逐渐由三方相向四方相过渡，且该体系的三方-四方准同型相界(MPB)位于0.03≤x≤0.04，在此组成区域内，体系陶瓷的铁电与压电性能较好。其中当x=0.04时，材料的电性能较好：压电常数d33=156 pC/N，平面机电耦合系数kp=0.29，相对介电常数εr=1116，介质损耗tanδ=4.1%，剩余极化强度Pr=30.5μC/cm2，矫顽场Ec=23.9 kV/cm。所有陶瓷在升温过程中在Td附近存在频率色散且高温介电反常峰宽化，表明材料都为弛豫铁电体。
　　(3)掺MnCO3的(Bi0.5Na0.5)0.852(Bi0.5K0.5)0.11Ba0.038TiO3(简称NBKBT-Mn)无铅压电陶瓷。研究了不同 MnCO3掺杂量(x=0-1.0%，质量分数)对 NBKBT陶瓷的结构与电性能的影响规律。结果表明：在掺杂范围内，所有陶瓷均形成了纯的钙钛矿固溶体结构，且都处于三方-四方共存的准同型相界(MPB)处。适量的Mn(x=0-0.4)掺杂有利于陶瓷晶粒尺寸的长大和致密度的提高，从而在一定程度上改善了陶瓷的铁电与压电性能。当x=0.4时，电性能最佳：压电常数d33=185 pC/N，机电耦合系数kp=0.25，相对介电常数εr=1335，损耗tanδ=2.3%，机械品质因子Qm=119，剩余极化强度 Pr=28.7μC/cm2，矫顽场 Ec=18.7kV/cm。由样品的介电温谱也可以发现，随着Mn掺量的增加，材料的弛豫特征更明显。

目录

声明

1 引 言

2 文献综述

2.1 压电材料概述

2.1.1 压电材料的分类

2.1.2 压电材料的结构特点与压电效应

2.1.3 压电材料的性能参数

2.1.4 压电材料的应用

2.2 NBT基无铅压电陶瓷的研究进展

2.2.1 NBT陶瓷的相变行为和退极化温度

2.2.2 NBT基陶瓷的掺杂改性研究

2.2.3 NBT陶瓷制备工艺的改进

3 实验部分

3.1 实验原料与及其性质

3.2.1 实验所用原料

3.2.2 实验原料性质

3.2 实验工艺流程

3.3 实验仪器与设备

3.4 样品的结构与性能表征

4 实验结果与分析

4.1 (Na0.9K0.1)0.5Bi0.5TiO3-(Ba0.7Ca0.3)TiO3无铅压电陶瓷的结构与性能研究

4.1.1物相结构分析

4.1.2 介电与弛豫性能分析

4.1.3 铁电性能

4.1.4 退极化温度

4.1.5 压电性能

4.1.6 小结

4.2 (0.84-x)Na0.5Bi0.5TiO3-0.16K0.5Bi0.5TiO3-xSrTiO3 无铅压电陶瓷结

4.2.1 XRD衍射分析

4.2.2 显微结构分析

4.2.3 介电与弛豫性能分析

4.2.4 铁电性能分析

4.2.5 压电性能

4.2.6 小结

4.3 MnCO3掺杂(Bi0.5Na0.5)0.852(Bi0.5K0.5)0.11Ba0.038TiO3无铅压电陶瓷结构与性能

4.3.1 XRD分析

4.3.2 显微形貌分析

4.3.3 介电性能分析

4.3.4 铁电性能

4.3.5 压电性能

4.3.6 小结

5 结论与展望

5.1 结论

5.2 展望

致谢

参考文献

附录