铋层状结构无铅压电陶瓷的掺杂改性研究

摘要

铋层状结构无铅压电陶瓷(BLSFs)因其具有较好的温度稳定性能，兼有居里温度高、介电损耗低等特点，成为高温压电材料研究领域中最为热门的材料之一。本文主要研究了不同离子掺杂对铋层状无铅压电陶瓷的微观结构变化和电学性能的影响，为获得性能优异的铋层状无铅压电陶瓷材料奠定相关理论和技术基础。主要研究内容如下：
　　1.采用传统固相合成法制备了 Sm3+、Mo6+和复合离子(K0.5Bi0.5)2+掺杂的SrBi2Nb2O9(SBN)铋层状结构无铅压电陶瓷。研究结果表明：掺杂 Sm3+、Mo6+或(K0.5Bi0.5)2+离子，SBN陶瓷样品均形成了典型的铋层状相结构。其中，Sm3+掺杂取代Bi3+，降低了SBN陶瓷的居里温度，但压电性能和铁电性能取得明显改善。当掺杂量为0.03时，取得最佳电学性能：2Pr=14μC/cm2，d33=19 pC/N，Tc=435℃。价态较高的Mo6+掺杂取代B位Nb5+离子，属施主掺杂，减少氧空位的产生，使SBN陶瓷样品的压电和铁电性能得到明显提高。当掺杂量为0.12时，取得最佳电学性能：2Pr=20.34μC/cm2，Tc=458℃，tanδ=0.495％，d33=18 pC/N。复合离子(K0.5Bi0.5)2+掺杂取代Sr2+，促进晶粒的生长，不仅提高了陶瓷样品的居里温度，压电和铁电性能也明显改善。当掺杂量为0.2，获得最为优异的剩余极化强度(2Pr=15.5μC/cm2)；当掺杂量为0.5时，取得最大压电常数(d33=21 pC/N)。掺杂量为0.2时，取得优异的综合性能：2Pr=15.5μC/cm2，d33=20 pC/N，Tc=469℃，ρrd=95.9%。
　　2.采用传统固相合成法制备Na0.5Bi4.5-xErxTi4O15(NBET-x；x=0.00，0.006，0.012，0.018，0.025)和Na0.5Bi4.5-x(La0.5Ce0.5)xTi4O15(NBT-LCx；x=0.0，0.1，0.15，0.2，0.3)系列铋层状无铅压电陶瓷。研究结果表明，无论是Er3+离子还是复合离子(La0.5Ce0.5)3+掺杂，都未改变NBT铋层状陶瓷的相结构，即均为单一的铋层状结构。掺杂离子半径较小的Er3+，提高了陶瓷样品的居里温度，并且温度稳定性较好的Er3+离子取代易挥发的Bi3+，减少氧空位的同时，更提高了钙钛矿层的化学稳定性，从而提高陶瓷样品的电学性能。当掺杂量为0.012时，获得最佳电学性能：2Pr=17.2μC/cm2，d33=21 pC/N，Tc=658℃。复合离子(La0.5Ce0.5)3+掺杂取代Bi3+，由于Ce离子为变价离子(Ce3+和Ce4+)，高价Ce4+取代Bi3+的过程中，属施主掺杂，从而提高NBT陶瓷样品的压电性能。当退火温度达到430℃，陶瓷样品NBT-LCx(x>0)的压电性能依然保持在20 pC/N以上，说明NBT-LCx系列陶瓷不仅具有较高的压电性能并兼具优异的温度稳定性。
　　3.采用传统固相合成法制备Sr1-x(K0.5Ce0.5)xNa0.5Bi4.5Ti5O18(KCSNBT-x，x=0.0，0.1，0.2，0.3)系列铋层状无铅压电陶瓷。研究结果表明：(K0.5Ce0.5)2+复合离子掺杂并未改变SNBT陶瓷的铋层状相结构，但随掺杂量的增加，晶胞参数发生明显的变化。(K0.5Ce0.5)2+复合离子掺杂对陶瓷的居里温度影响并不明显，但随掺杂量的增加， KCSNBT-x陶瓷的铁电及压电性能取得显著提高。当掺杂量为0.3时，取得较为优异的综合性能：2Pr=16.4μC/cm2，d33=21 pC/N，Tc=567℃。此外，当退火温度达到400℃，陶瓷的压电性能依然保持在20 pC/N以上，表明KCSNBT-x陶瓷具有良好的温度稳定性能。

目录

声明

前言

第一章 绪 论

1.1 引言

1.2 压电效应与压电陶瓷

1.3 无铅压电陶瓷的研究进展

1.4 铋层状无铅压电材料研究现状

1.5 本课题的研究背景、思路及内容

第二章 实验过程

2.1 陶瓷样品的制备工艺

2.2 陶瓷样品的结构和性能表征

第三章 离子掺杂对SBN陶瓷的微观形貌和电性能影响

3.1 Mo6+掺杂SBN无铅压电陶瓷相结构及电学性能研究

3.2 (K0.5Bi0.5)2+掺杂SBN无铅压电陶瓷相结构及电学性能研究

3.3 Sm3+掺杂SBN无铅压电陶瓷相结构及电学性能研究

3.4 本章小结

第四章 Er3+和(La0.5Ce0.5)3+掺杂对NBT陶瓷微观形貌及电学性能影响

4.1 Er3+掺杂NBT无铅压电陶瓷相结构及电学性能研究

4.2 (La0.5Ce0.5)3+复合离子取代对NBT陶瓷微观结构及电学性能影响

4.3 本章小结

第五章 Sr1-x(K,Ce)x/2Na0.5Bi4.5Ti5O18无铅压电陶瓷结构及电学性能研究

5.1 晶向结构分析

5.2 微观形貌分析

5.3 电学性能分析

5.4 本章小结

第六章 主要结论、创新点及后期工作建议

6.1 主要结论

6.2 创新点

6.3 下一步工作建议

参考文献

攻读硕士期间发表的学术论文及申请的专利

致谢