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Bi_(0.5)Na_(0.5)TiO_3基陶瓷的制备及电学性质研究

陶纯玮  
【摘要】:压电陶瓷是一类重要的功能材料,广泛应用于电子工业领域。长期以来,铅基陶瓷(如Pb(Zr,Ti)O_3,PZT)一直占据着工业应用的主要市场,然而,由于铅的毒性在生产和使用过程中会对环境造成危害,随着人们对生态环境保护的日益重视,研发可以工业应用的无铅陶瓷材料成为了重要研究方向。在众多的无铅陶瓷体系中,Bi_(0.5)Na_(0.5)Ti O_3(BNT)基陶瓷是重要的候选体系之一。不仅如此,BNT的弛豫特性还使得其应用可以扩展到介电储能领域。在压电陶瓷领域:研究者们主要将BNT与其他不同相结构的钙钛矿氧化物形成准同型相界(MPB)固溶体。在储能陶瓷研究领域:研究者们主要通过离子掺杂和替代的方法改良BNT基弛豫铁电体陶瓷的储能性能。在上述背景下,本文主要开展了如下两个方面的研究工作:首先,本文将Zn O掺入了0.82[0.94Bi_(0.5)Na_(0.5)Ti O_3-0.06Ba Ti O_3]-0.18K_(0.5)Na_(0.5)Nb O_3(BNT-BT-KNN)弛豫铁电陶瓷,用固相烧结法制成了0-3型复合陶瓷:BNT-BT-KNN:x Zn O(x=0、0.10、0.20、0.30、0.40)。使用X射线衍射(XRD)和扫描电子显微镜(SEM)对所有组分的陶瓷样品进行了测试,测试结果表明:BNT-BT-KNN:x Zn O陶瓷形成的是两相共存的0-3型复合结构。储能性能研究表明,复合陶瓷的击穿电场E_B随着Zn O含量的增加而增大,在击穿电场下测得的最大有效储能密度从x=0样品在9.0k V/mm下的0.74J/cm~3,增大到了x=0.40样品在14.0k V/mm下的1.03J/cm~3,相应的储能效率从86.7(4)下降到了72.7(4),并且,样品的储能性能有着良好的温度稳定性,从25?C到125?C的温度范围内,x=0.30样品的有效储能密度和储能效率的变化小于2.5(4)。这些实验结果为弛豫铁电体储能性能的改良,提供了一条新的思路。其次,本文使用固相烧结法制备了0.8Bi_(0.5)Na_(0.5)Ti O_3-(0.2-x)Bi_(0.5)K_(0.5)Ti O_3-x Bi(Zn_(0.5)Ti_(0.5))O_3(0.8BNT-(0.2-x)BKT-x BZT,x=0、0.01、0.02、0.03、0.04、0.05)固溶体陶瓷。用XRD和SEM对所有陶瓷样品进行了测试及表征,XRD测试结果表明,所有陶瓷样品在室温下都处于三方相和四方相共存的状态,BZT的引入没有使样品偏离准同型相界;SEM测试结果表明,随着x的增大,样品的平均晶粒尺寸逐渐增大。铁电和压电测试结果表明,样品的铁电性和压电性随着x的增大,先增强后减弱,在x=0.02时样品达到最佳性能,剩余极化强度、总电致应变和压电常数d_(33)分别从x=0样品的23.2?C/cm~2、0.22(4)和95 p C/N增大到了x=0.02样品的26.5?C/cm~2、0.31(4)和121 p C/N。基于介电温谱得出的退极化温度T_d从x=0样品的93?C提高到了x=0.05样品的135?C。压电力显微镜测试结果表明,随着BZT的引入,陶瓷样品中纳米畴的含量逐渐增多,从x=0时几乎全为迷宫畴,到x=0.02时迷宫畴和纳米畴数量相近,再到x=0.04时几乎全为纳米畴。本实验证明了畴结构调控是提升压电性质的一种可行方法。


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