钛酸铋钠基铁电陶瓷及其1-3型压电复合材料的性能研究

摘要

钛酸铋钠(Bi0.5Na0.5TiO3，简称BNT)是一种A位复合离子结构的钙钛矿型压电材料，在室温下具有菱方相(R3c)结构，并且具有高居里温度(Tc～320℃)和较大的剩余极化强度（Pr～38μC/cm2），因此它被认为是一种最有前景的无铅压电和铁电材料之一。本文采用传统固相法合成陶瓷材料，详细地分析了组成与结构、性能之间的关系，并结合实验结果分析了BNT基陶瓷的相结构转变，介电弛豫特性、铁电性质以及压电性质。另外在此基础上，制备了BNT基无铅压电陶瓷/环氧树脂1-3型压电复合材料并且探讨了其电学性能与陶瓷体积分数之间的关系。
　　本论文研究可分为以下三个部分:
　　1.由于BNT陶瓷本身固有的缺陷，比如高的矫顽场和漏导，在实际的运用中受到了极大的限制。通过与PbTiO3进行复合，一定程度上改善了该体系的整体性能。由于0.84BNT-0.16PT在室温下是四方相，加入另一菱方相物质来形成相界以此进一步提高电学性能。铌镁酸铅(PMN)在室温下是伪立方结构，并且具有比较大的介电常数和较强的频率色散。通过把PMN加入到0.84BNT-0.16PT中，基体的四方性逐渐减弱，并且当PMN的摩尔分数达到37.5％时，四方相和伪立方相共存，此时压电性能达到最优。当继续增加PMN的含量到42.5％时，在7 kV/mm外电场的作用下诱发出较大的应变S～0.3％，这是由于该组成靠近各态历经-非各态历经相界的缘故。值得注意的是，在该体系中，我们通过组成和温度调制过后发现，某一特定组成电流密度曲线出现了较为异常的情况。结合同步辐射及其相关表征手段我们初步探究了电流密度峰异常的原因。在这一章的基础上，我们固定PMN含量，合成了三元体系(0.7-x)Bi0.5Na0.5TiO3-xPbTiO3-0.3Pb(Mg1/3Nb2/3)O3，系统地分析了随着PT含量的变化，该体系的相结构转变，组成依赖的介电、铁电和压电性能。另外，在本章节我们根据在不同电场强度下的电滞回线P-E，双极应变曲线、单级应变曲线S-E，电流密度曲线J-E的演变情况，由此做出了对P-E、S-E和J-E曲线在升电场和降电场的分区，以及有了不同电场下的畴结构演变的猜想。
　　2.钙钛矿结构的铁电陶瓷铌镍酸钡Ba(Ni0.5Nb0.5)O3(BNN)，在室温下是立方相结构，具有弥散性相变的特点，并且它具有较大的容忍因子t=1.064（RBa2+=1.61(A)，RNi3+=0.56(A)和RNb5+=0.64(A)）。由于BNT在室温下是菱方相结构，当把BNN掺入到BNT基体中与其形成固溶体时，不仅形成了菱方相-伪立方相的相界，而且在位于伪立方相一侧发生了较大的应变。在BNT-xBNN二元体系中，当x=0.045即铁电菱方相和伪立方相共存时，获得了较高的静态压电系数d33～121 pC/N和平面机电耦合系数kp～0.27。继续增加BNN含量达到x=0.05时，压电性能与机电耦合性能迅速消失，且在7 kV/mm电场的诱发下获得较大的应变值0.3％（d33*～425 pm/V）。
　　3.通过改善的切割-填充法制作了微米尺度的0.96Bi0.5(Na0.84K0.16)0.5TiO3-0.04SrTiO3陶瓷/环氧树脂(BNKT-ST/epoxy)1-3型压电复合材料。通过调节陶瓷含量的体积分数，当陶瓷相的体积分数v=0.276时，1-3型复合材料显示出良好的电学性能:相对较高的压电应变常数d33～104 pC/N，较高的压电电压系数g33～91.5×10-3m2/C，高的厚度方向上的机电耦合系数kt～0.547，适中的介电常数εr～128.4和相对较低的声阻抗值Z～9 Mrayls。与此同时，厚度振动模式上获得一个纯净的单峰并且它的谐振频率超过2 MHz。这些优良的结果足以显示低陶瓷体积分数下的1-3型压电复合材料更适用于医学超声换能器和无损检测。

目录

声明

致谢

摘要

第一章 绪论

1．1 引言

1．2 压电与铁电理论基础

1．2．1 压电材料及其性质

1．2．2 铁电知识基础

1．2．3 压电体和铁电体的关系

1．3 压电复合材料的类型

1．3．1 1-3型压电复合材料的形成背景及其优点

1．3．2 制作1-3型的方法

1．4 BNT基材料的大应变和1-3型复合材料的发展

1．4．1 大应变的发展状况

1．4．2 1-3型复合材料的发展状况

1．5 研究的目的和内容

第二章 实验过程及测试方法

2．1 实验原料及其仪器设备

2．2 陶瓷及其1-3型压电复合材料样品的制备

2．3 陶瓷材料的结构分析及其性能测试

2．3．1 物相结构分析(XRD)和陶瓷表面的形貌分析(SEM)

2．3．2 陶瓷块体密度及其1-3型复合材料陶瓷体积分数的测定

2．4 样品的电学性能测试

2．4．1 介电常数εT33／ε0及介电损耗tanδ

2．5 陶瓷样品的极化及压电性能测试

2．5．1 压电应变常数d33

2．5．2 平面机电耦合系数kp和厚度方向上的机电耦合系数kt

2．5．3 陶瓷材料的铁电性能测试

第三章 三元体系(1-x)[0．84Bi0．5Na0．5TiO3-0．16PbTiO3]-xPb(Mg1／3Nb2／3)O3组分调制的压电和应变特性

3．1 引言

3．2 结果与讨论

3．2．1 (1-x)[0．84BNT-0．16PT]-xPMN三元体系的相结构分析

3．2．2 (1-x)[0．84BNT-0．16PT]-xPMN三元体系的介电性能分析

3．2．3 (1-x)[0．84BNT-0．16PT]-xPMN三元体系的铁电性能分析

3．2．4 BNT-PT-xPMN(x=0．375和0．425)原位电场作用下的X射线衍射分析

3．2．5 (1-x)[0．84BNT-0．16PT]-xPMN三元体系的压电性能分析

3．3 结论

第四章 三元体系(0．7-x)Bi0．5Na0．5TiO3-xPbTiO3-0．3Pb(Mg1／3Nb2／3)O3电学性能的研究以及不同电场下畴结构演变

4．1 引言

4．2 结果与讨论

4．2．1 (0．7-x)BNT-xPT-0．3PMN三元体系的相结构分析

4．2．2 (0．7-x)BNT-xPT-0．3PMN三元体系的介电性能

4．2．3 (0．7-x)BNT-xPT-0．3PMN三元体系的铁电和压电性能

4．2．4 0．63BNT-0．07PT-0．3PMN在不同电场强度下的应变行为及其畴结构演变

4．3 结论

第五章 (Bi1／2Na1／2)TiO3-Ba(Ni1／2Nb1／2)O3无铅陶瓷体系相结构组成依赖的压电和应变特性

5．1 引言

5．2 实验结果与讨论

5．2．1 BNT-xBNN二元体系的物相结构分析

5．2．2 BNT-xBNN二元体系的微观形貌分析

5．2．3 BNT-xBNN二元体系的介电性能分析

5．2．4 BNT-xBNN二元体系的铁电和压电性能分析

5．3 结论

第六章 钛酸铋钠基无铅压电陶瓷／环氧树脂1-3型复合材料的制作过程及机电性能性质的研究

6．1 引言

6．2 结果与讨论

6．2．1 1-3型复合材料及其陶瓷的物相结构分析

6．2．2 1-3型复合材料的微观形貌分析

6．2．3 1-3型复合材料的电学性能分析

6．3 结论

第七章 结论

第八章 展望

参考文献

攻读硕士学位期间发表的学术论文