高温铋层状结构SrBi4Ti4O15压电陶瓷的性能及温度稳定性研究

摘要

铋层状结构铁电体具有较大的自发极化、良好的抗疲劳性能和较高的居里温度，因此在铁电存储和高温压电方面具有广泛的应用前景。铋层状结构铁电体的铁电性主要来源于铋氧层(Bi2O2)2+之间的类钙钛矿层中的B位阳离子的偏移、氧八面体沿c轴的倾侧以及八面体在a-b面内的旋转，但是由于其自发极化的旋转受到晶体结构的限制，只能在a-b二维平面内转动，使得铋层状结构铁电材料难以极化，压电活性较低。目前，对铋层状结构铁电体在高温压电方面的研究主要是:在维持高居里温度的前提下，通过提高烧结密度、增加电阻率、提高剩余极化、降低矫顽场等手段来提高其压电活性。本论文选择居里温度Tc=521℃，压电常数d33=15pC/N的铋层状结构压电材料钛酸铋锶SrBi4Ti4O15(SBT)作为研究对象，采用传统的固相烧结工艺对其进行组分优化研究，以期获得压电性能优良，又能保持较高居里温度的高温铋层状结构压电材料。
　　本论文首先采用适合于十二配位的Ce离子对SrBi4Ti4O15的A位Sr离子进行取代改性研究，表达式为Sr1-xCexBi4Ti4O15。研究结果显示Ce对Sr的取代降低了烧结温度，同时提高了陶瓷材料的致密度，并且显著降低了SBT材料的矫顽场，使得材料更容易被极化。当x=0.04时，SBT系列陶瓷的压电性能得到显著提高，压电常数d33达到27pC/N，介电损耗显著降低。改性后的SBT压电陶瓷的平面机电耦合系数kp，频率常数Np和Nt具有优异的温度稳定性，从室温到475℃的温度范围内，kp在5％附近变化，Np和Nt的温度变化率分别为-68ppm/K和-25ppm/K。随着温度的增加（室温至475℃），串联谐振频率基频fs0和并联谐振频率基频fp0几乎线性地降低，其温度变化率均为-68ppm/K。改性后的材料抗热老化性能好，在高温下保持较高的压电性。
　　在研究A位离子取代改性的同时，我们还研究了B位离子取代对SrBi4Ti4O15压电陶瓷电学性能的影响，本论文选用了Co离子和Mn离子分别取代B位的Ti离子。X射线衍射图谱分析显示，取代后的样品为纯的铋层状结构铁电体(m=4)的正交相。随着Co含量的提高，SrBi4Ti4-yCoyO15压电陶瓷的烧结温度显著降低，样品致密度得到增加，居里温度Tc略有上升。经过Co取代后，材料的压电活性提高，当y=0.03时，SrBi4Ti4-yCoyO15系列陶瓷的改性效果最为显著，压电常数d33达到28pC/N，说明Co对B位Ti的取代也能显著提高SBT压电陶瓷的压电性能压电常数。在Mn取代B位Ti的研究中，我们发现Mn和Co具有同样的压电性能改善效果。结果显示Mn对Ti的取代(SrBi4Ti4-zMnzO15)降低了烧结温度，改善了样品致密度，降低了介电损耗，增强了压电性能，提高了居里温度Tc。当z=0.04时，SBT-zMn系列陶瓷的性能改性效果最为显著，压电常数d33达到30pC/N。高温电学性能测试表明Mn取代改性的SBT压电陶瓷，其介电、压电性能具有优异的温度稳定性。