软硬掺杂铁酸铋-钛酸钡基高温压电陶瓷的结构与性能研究

摘要

近年来，由于能源、航空航天、汽车等领域对高温压电传感器和驱动器的迫切需求，高温压电材料已经成为国内外研究的热点。钙钛矿结构(1-x)BiFeO3-xBaTiO3（BF-xBT）基无铅压电陶瓷材料，因其在准同型相界处具有较高的居里温度、优异的压电性能和制备简单等特点，有望在高温类压电传感器中获得广泛的应用。本文选择准同型相界附近的组成0.72BF-0.28BT作为基体组元，采用传统固相烧结法分别制备了Nb、Na及NaNbO3掺杂BF-xBT基高温压电陶瓷。研究了该体系材料的电学性能与其结构和组成之间的相互关系，并结合实验结果分析了掺杂元素对BF-xBT基陶瓷的相变特性、介电弛豫特性以及温度稳定性的影响与作用规律。 （1）Nb掺杂BF-BTNx%（x=0,0.3,0.6,1.2,2.0）基高温压电陶瓷：①XRD结果表明在x=0时陶瓷具有三方晶体结构，随x增加，晶体结构向伪立方结构转变。同时，随Nb含量增加，晶粒尺寸减小，压电性能及温度的稳定性降低。②介电温谱测试表明，温度诱使陶瓷由正常铁电相向弥散铁电相转变，Nb取代诱使陶瓷从正常铁电相向弛豫铁电相转变。③铁电性能测试发现，随x增加，P-E电滞回线由饱和状向纤细状转变，S-E曲线由蝴蝶型向嫩芽型转变，进一步说明陶瓷由正常铁电态向弛豫铁电态转变。且在 x≥1.2时，应变的滞后性消失，表明 BF-BTNx%陶瓷在驱动应用中是理想的使用材料。 （2）Na掺杂BF-BTNx（x=0,0.5,1.5,2.5,3.5%）基高温压电陶瓷：①该体系陶瓷在x=0~3.5%范围内拥有三方畸变钙钛矿结构。随Na含量的增加，晶粒尺寸和压电性能均先增加后降低，且在x=1.5%时获得最佳压电性能：d33=165pC/N，kp=0.35。②P-E回线显示所研究组成均具有饱和电滞回线；同时介电温谱显示的介电峰均为尖锐的相变峰，且居里温度 Tc无频率依赖性，表明该体系陶瓷为正常铁电体。此外，微量Na掺杂对居里温度Tc无明显影响。③非原位退极化表明，该体系陶瓷拥有良好的温度稳定性。退极化温度Td随x增加先增大后减小，在x=1.5%时获得最佳退极化温度Td~470℃，表明BF-BTNx陶瓷具有良好的高温应用前景。 （3）系统研究了NaNbO3掺杂BF-BT-NNx%（x=0,0.3,0.6,0.9,1.5）基陶瓷的组成、结构、电性能及温度稳定性，发现该体系具有与Nb掺杂体系相似的性能变化规律。随NaNbO3掺杂量的增加，晶体结构由三方相向伪立方相转变；陶瓷由正常铁电体朝弛豫铁电体转变；介电弥散性和弛豫性增加；且具有“硬”掺杂特性：介电常数εr、机电耦合系数kp及温度的稳定性降低，而机械品质因数Qm增加。

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第一章 绪论

§1.1 研究无铅高温压电陶瓷材料的意义

§1.2 高温压电陶瓷的种类及其特点

§1.3 BF-xBT基高温压电陶瓷的研究进展

§1.4 本文的研究思路和内容

第二章 BF-xBT基陶瓷的制备与表征

§2.1 引言

§2.2 陶瓷样品的制备

§2.3 陶瓷样品的结构与性能测试方法

第三章 Nb掺杂BF-xBT基陶瓷的物相结构、电性能及温度稳定性研究

§3.1 引言

§3.2 Nb掺杂BF-xBT基陶瓷的组成与晶体结构

§3.3 Nb掺杂BF-xBT基陶瓷的显微形貌

§3.4 Nb掺杂BF-xBT基陶瓷的介电性能

§3.5 Nb掺杂BF-xBT基陶瓷的铁电性能

§3.6 Nb掺杂BF-xBT基陶瓷的压电性能

§3.7 Nb掺杂BF-xBT基陶瓷的压电性能温度稳定性

§3.8 本章小结

第四章 Na掺杂BF-xBT基陶瓷的微观结构、电性能及温度特性的研究

§4.1 引言

§4.2 Na掺杂BF-xBT基陶瓷的组成与晶体结构

§4.3 Na掺杂BF-xBT基陶瓷的显微形貌

§4.4 Na掺杂BF-xBT基陶瓷的压电性能

§4.5 Na掺杂BF-xBT基陶瓷的铁电性能

§4.6 Na掺杂BF-xBT基陶瓷的介电性能与退极化温度

§4.7 本章小结

第五章 NaNbO3掺杂对BF-xBT基陶瓷结构和电性能的影响

§5.1 引言

§5.2 NaNbO3掺杂BF-xBT基陶瓷的晶体结构

§5.3 NaNbO3掺杂BF-xBT基陶瓷的显微形貌

§5.4 NaNbO3掺杂BF-xBT基陶瓷的介电温谱

§5.5 NaNbO3掺杂BF-xBT基陶瓷的铁电性能

§5.6 NaNbO3掺杂BF-xBT基陶瓷的压电性能

§5.7 NaNbO3掺杂BF-xBT基陶瓷的压电性能热稳定性

§5.8 本章小结

第六章 结论

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间发表的论文