0.36BiScO3-0.64PbTiO3基高温铁电压电陶瓷的制备及性能调控

摘要

近年来,由于能源、航空航天和汽车工业领域对高温压电驱动器和传感器的迫切需求,高温压电陶瓷材料的研究已经成为国内外研究的热点。新型铋基钙钛矿二元固溶体(1-x)BiScO3-xPbTiO3(BS-PT)在准同型相界 MPB(x=0.64)附近四方相和菱方相共存,具有较高的居里温度(Tc~450℃)和优良的压电性能(d33~450 pC/N),是压电陶瓷高温应用的理想材料。但是,BS-PT体系也存在硬性压电性能低,原料昂贵等不足。针对上述问题,本论文以0.36BS-0.64PT二元压电陶瓷的研究为基础,通过加入1.0 wt％过量的 PbO(BS-PT-I)和同时加入1.0 wt%过量的 PbO和Bi2O3(BS-PT-II)制备0.36BiScO3-0.64PbTiO3样品,研究Pb/Bi过量对0.36BS-0.64PT陶瓷烧结行为、微观结构及电学性能的影响。在此基础上,选取BiGaO3作为第三组元,系统地研究了新型三元体系0.36Bi(Sc0.99Ga0.01)O3-0.64PbTiO3的微观结构及其在室温和高温下的电学性能。
　　采用传统固相法制备致密的BS-PT-I和BS-PT-II陶瓷样品。XRD分析结果表明,两个体系中均存在四方相和菱方相。扫描电镜结果显示,所有样品在适当的烧结温度下均获得了晶粒尺寸分布不规则的致密陶瓷,晶粒大小在1~6μm左右。之后,对在不同烧结温度和保温时间的两类样品进行性能测试,结果表明:BS-PT-I陶瓷在1000℃保温2小时压电性能最优:d33=469 pC/N,kp=0.52,Qm=24.51。在温度从室温升到200℃时,介电可调性nr从59.8%升高到78%。BS-PT-II陶瓷在1150℃保温2小时获得了压电性能最优:d33=378 pC/N,kp=0.52,Qm=21.08。在温度从室温升至160℃时,介电可调性nr也从58.6%升高到75.9%。这表明在较高的温度范围内, BS-PT具有作为可调电容器的潜力。同时,随着温度升高,BS-PT-I和BS-PT-II陶瓷中剩余极化Pr先减小而后逐渐增大;应变值变化不大,在0.3~0.4%左右。说明BS-PT材料的热稳定性较好。
　　与0.36BS-0.64PT相比,采用固相法制备的0.36Bi(Sc0.99Ga0.01)O3-0.64PbTiO3陶瓷样品晶粒明显细化,晶粒尺寸在1~3μm之间。但压电及铁电性能与0.36BS-0.64PT相比稍差。不过,0.36Bi(Sc0.99Ga0.01)O3-0.64PbTiO3陶瓷的优值因子FOM相对于0.36BS-0.64PT得到明显得到提高。随着温度从室温升高至160℃,介电可调性nr也从58.2%升高到73.9%。因此,BiGaO3改性的 BS-PT陶瓷是一种适合于介电可调应用的候选材料。

目录

封面

声明

中文摘要

英文摘要

目录

第1章 绪论

1.1 引言

1.2 铁电压电材料基础

1.3 高温铁电压电材料的研究和进展

1.4 论文选题背景及主要研究内容

第2章 BS-PT基压电陶瓷的制备工艺及表征方法

2.1 引言

2.2 样品制备工艺

2.3 样品的结构分析与性能表征方法

第3章 制备工艺对0.36BS-0.64PT压电陶瓷结构与性能的影响

3.1 引言

3.2 样品的制备

3.3 样品结构特性分析

3.4 显微结构分析

3.5 压电性能

3.6 介电性能

3.7 铁电性

3.8 本章小结

第4章 0.36BS-0.64PT压电陶瓷性能的温度依赖

4.1 引言

4.2 偏压下介电性能随温度变化

4.3 铁电性能随温度变化

4.4 极化后放电（去极化电流）

4.5 本章小结

第5章 0.36Bi(Sc0.99Ga0.01)O3-0.64PbTiO3 的结构与性能研究

5.1 0.36Bi(Sc0.99Ga0.01)O3-0.64PbTiO3的组成设计

5.2 0.36Bi(Sc0.99Ga0.01)O3-0.64PbTiO3陶瓷样品的制备

5.3样品结构特性分析

5.4显微结构分析

5.5 压电性能

5.6介电性能

5.7铁电性

5.8 高温下介电、铁电性能

5.9 本章小结

第6章 全文总结与展望

6.1 全文总结

6.2 展望

参考文献

攻读硕士学位期间发表的学术论文

致谢