铌酸铋锶基铋层状结构复相陶瓷的制备与性能研究

摘要

随着目前开发无铅压电陶瓷元器件的大趋势，铋层状结构压电材料因其具有较高居里温度、低老化率、高击穿场强、低介电常数、高机械品质因数和优异的谐振频率稳定性，在高温、高频以及信息存储领域有着重要的应用前景而备受关注。但单一的铋层状结构压电材料因结构的特殊性存在难以实用化的缺点，因此本文从铋层状结构材料的自发极化机制出发，结合复相模型及分子动力学模型，采用分步合成工艺，选择性能优异的二层铋层状结构化合物SrBi2Nb2O9与钙钛矿结构Na0.5Bi0.5TiO3进行复合，制备铋层状结构复相无铅压电陶瓷，从组分、基质颗粒以及复合工艺角度研究其高温下的介电与压电性能的作用规律，寻求适用于高温固态传感器和探测器的复相结构新材料。
　　采用分步固相烧结工艺成功制备了(1-x)SrBi2Nb2O9-xNa0.5Bi0.5TiO3(SBN-NBT，x=0.1,0.2,0.3,0.4,0.5)铋层状结构复相无铅压电陶瓷。利用X射线衍射仪(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)及介电和压电测试系统等测试手段或技术对陶瓷样品的相结构、微观形貌和电性能进行表征。结果表明：样品均形成了钙钛矿结构相与铋层状结构相两相共存的复相结构，其中铋层状结构相随NBT引入量增多由SBN逐渐转变为二层与三层BLSF插层结构相，再转变为三层铋层状相。随着NBT组分的增加，相变峰向高温移动，铁电-顺电相变峰值介电常数随之减小，相应的介电峰半高宽的弥散度增大，铁电–顺电相变弥散程度增强，当x=0.4时样品弥散因子γ达到1.95，表现出典型的弛豫铁电体的相变特征。当x=0.1时，样品的电性能达到最佳值：Curie温度TC、室温介电常数和d33分别达到474℃、177和13 pC·N–1。
　　其次，在上述分步固相烧结工艺基础上，改变预合成相粉体的制备工艺，以熔盐法制备的片状晶粒SBN/NBT以及溶胶-凝胶合成的超细晶粒SBN/NBT作为前驱预合成相，采用分步合成工艺制备SBN-NBT(x=0.1,0.2,0.3,0.4)体系，探究SBN/NBT预合成相粉体制备工艺对复相陶瓷的结构及性能的影响。研究发现：粉体的制备工艺对相结构变化产生了明显的影响，熔盐法制备的片状晶粒SBN/NBT成功合成了SBN-NBT(x=0.1,0.2,0.3,0.4)铋层状结构复相无铅压电陶瓷，其中铋层状结构相在x≤0.2时为SBN相，在x≥0.3时由SBN转变为2层与3层BLSF插层结构相。溶胶-凝胶制备的超细晶粒SBN/NBT则合成了铋层状结构固溶体相陶瓷样品，无钙钛矿相。随着NBT组分的增加，片状晶粒合成的复相陶瓷样品的Curie温度逐渐增加，Curie温度对应的相变峰峰值εr逐渐减小，铁电–顺电相变弥散程度逐渐增强，具有典型的介电弛豫特征。
　　为了进一步开发高温高性能的铋层状结构无铅压电陶瓷，基于TTG、复相陶瓷的优势，采用水热法在二维片状晶粒SrBi2Nb2O9的表面成功修饰了压电性能更加优异的0.8Na0.5Bi0.5TiO3-0.2K0.5Bi0.5TiO3纳米颗粒，无杂相生成。再经干压成型、固相烧结制备了(1-x)SrBi2Nb2O9-x(0.8Na0.5Bi0.5TiO3-0.2K0.5Bi0.5TiO3)(x=0.1,0.3,0.4,0.5,0.6,SBN-NKBT)系列复相陶瓷。研究发现：当 x=0.1时样品就已经出现了的钙钛矿结构相NKBT，而铋层状结构相随NKBT引入量增多由SBN逐渐转变转变为三层铋层状相，无中间相二层与三层插层结构相。随着NBT组分的增加，居里温度由440℃逐渐增大600℃以上，铁电-顺电相变峰值介电常数随之减小，相应的介电峰半高宽的弥散度增大，铁电–顺电相变弥散程度增强。当x=0.1时，样品的电性能达到最佳值：居里温度Tc达到487℃，室温介电常数为123，d33达到17 pC·N-1。