高温铋层状无铅压电陶瓷Na_(0.5)Bi_(4.5)Ti_4O_(15)的结构与性能研究

【摘要】：铋层状结构化合物由于其独特的结构特性和较高的居里温度TC引起人们的重视。铋层状结构无铅压电陶瓷材料在铁电存储领域、高温高频领域、滤波器、能量转换器等方面具有广泛的应用前景。然而,由于其自发极化仅限制在a-b二维平面内,使得这类陶瓷材料的压电活性很低。本论文选择具有代表性的Na0.5Bi4.5Ti4O15(TC～655℃)作为研究对象,研究其结构与性能关系,在保持较高TC的前提下,提高其压电活性。本论文采用传统固相制备和烧结工艺(成型压力≤18 Mpa)对Na0.5Bi4.5Ti4O15进行掺杂改性研究,期望获得高压电性能、高TC(600℃)、性能优良的压电陶瓷材料。首先,采用Sr掺杂取代Na0.5Bi4.5Ti4O15(NBT)陶瓷的A位Na和Bi,并利用固相法制备了Srx(Na0.5Bi0.5)1-xBi4Ti4O15(SNBT-100x,0≤x≤0.200)铋层状压电陶瓷。研究发现Sr的引入并未改变其单一的正交铋层状结构。适量Sr的掺入明显改善陶瓷的机械性能和电性能。当x=0.100时,陶瓷的性能最佳：机械品质因数Qm=3519、压电常数d33=20 pC/N、平面机电耦合系数kp=5.192%、厚度机电耦合系数kt=6.240%、相对介电常数εr=162、介电损耗tanδ=0.657%和居里温度TC=626℃。此外,适量的Sr(x=0.100)引入提高了NBT陶瓷的压电性能,且仍维持了材料良好的高温压电稳定性。其次,采用Nd和Ce共同替代Na0.5Bi4.5Ti4O15陶瓷中的A位Bi,合成了Na0.5Bi0.5-x(Nd,Ce)x/2Bi4Ti4O15(NBT-x,0.0≤x≤0.4)铋层状压电陶瓷。结果表明所有陶瓷均具单一的正交铋层状结构。适量(Nd,Ce)引入会细化晶粒尺寸和降低介电损耗,表现出相变弥散性,改善其压电和机电性能。当x=0.2时,陶瓷的性能最佳：d33=28 pC/N、Qm=3239、εr=147、tanδ=0.32%、TC=630℃、kp=6.6%和kt=14.8%。此外,介电温谱和热稳定性研究显示Na0.5Bi0.3(Nd,Ce)0.1Bi4Ti4O15陶瓷具有良好的介电和压电热稳定性,可应用于高温压电器件领域。最后,采用C0203和MnCO3共掺杂改性Na0.5Bi4.5Ti4O15陶瓷,制备了Na0.5Bi4.5Ti4O15+x mol%Co2O3+y mol%MnCO3(NBT-CM-x,y=0.1x,0.0≤x≤7.0)铋层状压电陶瓷。当x≤3.0时陶瓷具有单一的铋层状结构。Co,Mn共掺杂能促进陶瓷晶粒生长和提高TC(均在635℃以上)。Cole-Cole图呈现出两个大小不等的圆弧被认为是由晶粒和晶界所致。适量Co,Mn共掺杂降低了直流电导率σDC和tan6,改善了陶瓷的综合电性能。当x=3.0时,陶瓷的性能最佳：d33=24 pC/N. Pr=11.70μC/cm2.Qm=3117、εr=198.tanδ=0.19%. kp=9.9%和kt=14.7%,表明该陶瓷材料具有良好应用潜力。