复合掺杂BaTiO3基陶瓷的电学性能及压电机制

摘要

BaTiO3(BT)陶瓷由于其具有良好的介电和铁电性能，被广泛应用于多层陶瓷电容器(MLCC)、PTC热敏电阻、铁电随机存储器等设备中。然而，BT陶瓷在性能方面还存在很多问题。首先，利用普通原料通过传统固相合成法制备的BT陶瓷难以获得大的压电性能，除非利用精细粉体与特殊烧结方法；其次，到目前为止，相变诱发的大压电机制为准同型相界(MPB)和多型性相变(PPT)，在ABO3体系中是否还存在其它压电机制尚不得而知；最后，难以获得压电和力学性能俱佳的BT压电陶瓷材料。本文针对BT陶瓷存在的上述问题，利用普通原料和固相合成法制备了LiAlSiO4(LAS)掺杂的BT陶瓷(LAS/BT)，Li2O、Al2O3及SiO2共掺杂的BT陶瓷(BLATS)，AlN掺杂的BT陶瓷(AlN/BT)，以及AlN与SiO2共掺杂的BT陶瓷(BATSN)。采用X射线衍射(XRD)和扫描电子显微镜(SEM)分析A/B位、A/O位及A/B/O位三种共掺杂方式对BT陶瓷物相及组织的影响。利用铁电测量仪、阻抗分析仪、准静态测试仪及应变测试仪分别获得陶瓷样品的铁电、介电及压电性能。在此基础上，探讨了不同烧结温度和掺杂含量的BT陶瓷电性能的变化规律及其物理机制。
　　对于LAS/BT陶瓷，此处公式省略：离子倾向于在相同BT单胞中形成此处公式省略：离子对，并取代 A位此处公式省略：离子，并沿着[001]方向进行定向排列。此处公式省略：离子对 B位此处公式省略：离子的取代会降低由此处公式省略：离子对择优分布诱发晶格畸变所产生的弹性能，同时也能够提高 LAS在BT中的溶解度。LAS掺杂明显改善了BT陶瓷的压电性能及其温度稳定性。当烧结温度为1350℃时，7.5mol.％LAS/BT陶瓷获得最优压电性能，压电常数此处公式省略：，机电耦合系数此处公式省略：,机械品质因数此处公式省略：。LAS掺杂改善了BT陶瓷d33热稳定性，LAS/BT陶瓷退极化温度Td≈120℃与居里温度TC值极为接近。此外，LAS的加入改变了BT陶瓷的相变行为特性，使得LAS/BT陶瓷具有类二级相变的特征，导致相变势垒高度降低。给出了此处公式省略：离子对所产生的偶极矩(PD)在外加电场(Eext)下的响应机制，揭示了LAS/BT陶瓷的大压电效应的起源。
　　在LAS/BT陶瓷研究内容基础上，针对 Li和Al过量掺杂及Si过量掺杂的问题，对BLATS陶瓷的物相、组织及电性能进行研究。结果表明，当Li和Al含量λ增加时，陶瓷样品的2Pr值增加。当Si含量增加时，陶瓷的2Pr值和2Ec值逐渐增加。适量的Li和Al过量掺杂及Si过量掺杂能够改善陶瓷样品的压电性能。
　　在AlN/BT陶瓷中，此处公式省略：和N3-离子分别取代了A位此处公式省略：离子和O位O2-离子并在同一单胞中形成此处公式省略：离子对。当AlN掺杂含量x≤1.5mol.%时，此处公式省略：离子对倾向于垂直于c轴择优分布。当烧结温度增加时，Al3--N3-离子对择优取向分布越来越弱。1325℃烧结制备的1.5mol.%AlN/BT陶瓷获得最优压电性能，此处公式省略：，此处公式省略：，此处公式省略：。AlN掺杂使BT陶瓷同时获得高压电和高力学性能。当烧结温度为1325℃时，纯BT陶瓷的d33值为140 pC/N，维氏硬度Hv为5.25GPa，而1.5mol.%AlN/BT陶瓷的d33值为305 pC/N，Hv值为5.9 GPa。
　　SiO2掺杂有助于提高 AlN在BT晶格中的溶解度。当x=1.5mol.%，y=1.5mol.%时，Al3+-N3-离子对获得最优的择优取向分布，此时陶瓷样品具有最佳的铁电及压电性能，2Pr值为20.0μC/cm2，此处公式省略：值约为297 pC/N。

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第1章 绪论

1.1课题背景及研究目的和意义

1.2准同型相变与ABO3型铁电陶瓷的性能

1.3多型性相变与ABO3型铁电陶瓷的性能

1.4 BT铁电陶瓷的研究现状

1.5压电陶瓷的应用

1.6本文主要研究内容

第2章 试验材料及研究方法

2.1试验原料

2.2 BT基陶瓷材料成分与制备工艺

2.3试验研究方法

第3章 LAS/BT无铅压电陶瓷的组织及电性能

3.1 引言

3.2烧结温度对LAS/BT陶瓷物相和组织的影响

3.3烧结温度对LAS/BT陶瓷电性能的影响

3.4 LAS/BT陶瓷的相变行为特性及压电机制分析

3.5本章小结

第4章 Li2O、Al2O3及SiO2共掺杂BT陶瓷的组织及电性能

4.1引言

4.2 Li和Al过量对BLATS陶瓷的影响

4.3 Si过量对BLATS陶瓷的影响

4.4本章小结

第5章 AlN/BT无铅压电陶瓷的组织及性能

5.1 引言

5.2烧结温度对AlN/BT陶瓷物相和组织的影响

5.3烧结温度对AlN/BT陶瓷性能的影响

5.4本章小结

第6章 AlN和SiO2共掺杂BT陶瓷的组织及电性能

6.1 引言

6.2 AlN含量对BATSN陶瓷组织及性能的影响

6.3 SiO2含量对BATSN陶瓷组织及性能的影响

6.4 AlN与SiO2等摩尔掺杂对BATSN陶瓷组织及性能的影响

6.5本章小结

结论

创新点

参考文献

攻读学位期间发表的论文及其它成果

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