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钛酸铋钠无铅压电陶瓷与高温铋层无铅压电陶瓷探索

盖志刚  
【摘要】: 压电材料是能在外加机械力的作用下产生极化并形成表面电荷,或在外加电场作用下产生形变的功能材料。通过外力产生电荷的现象,称为正压电效应,是由居里兄弟于1880年发现的。压电效应是一种机电耦合效应,将机械能转换为电能,称为正压电效应。反之,压电晶体置于外电场中,由于外电场的作用引起晶体内部正负电荷中心的位移-极化位移而导致晶体发生形变,称为逆压电效应。这两种效应统称为压电效应。 铋层状结构化合物由于其独特的结构特性和高居里温度引起了人们的重视。铋层状结构压电材料在滤波器、能量转换、高温高频领域具有广泛的应用前景。铋层状结构化合物是由二维的钙钛矿层和含铋的(Bi_2O_2)~(2+)层沿c轴有规则的相瓦交替排列而成。 本文研究了(1-y)[(Na_(0.96-x)K_xLi_(0.04))_(0.5)Bi_(0.5)]TiO_3-yBa(Zr_(0.055)Ti_(0.945))O_3无铅压电陶瓷的压电介电特性,得到了压电系数d_(33)高达185(pC/N)的无铅压电陶瓷0.94[(Na_(0.80)K_(0.16)Li_(0.04))_(0.5)Bi_(0.5)]TiO_3-0.06Ba(Zr_(0.055)Ti_(0.945))O_3。 在对铋层结构陶瓷结构和极化过程改性上,A位或(和)B位替代被证明是有效的。而且已经证实,Ce掺杂可以有效的提高铋层结构陶瓷的电阻率和压电活性。本文研究了Ce掺杂Bi_3TiNbO_9系列超高温铋层结构无铅压电陶瓷,还研究了(LiCe)复合替代[(Na,K)_(0.5)Bi_(4.5)Ti_4O_(15)]系列、[(Na,K)_(0.5)Bi_(2.5)Nb_2O_9]系列高温铋层无铅压电陶瓷。本文分析了铋层结构压电陶瓷压电活性低的原因,探索出提高其压电活性和性能的方法。 对(Li,Ce)的A位替代对A位含缺位的(Na,K)_(0.5)Bi_(2.5)Nb_2O_9系列陶瓷的影响进行了研究,使该系列陶瓷的压电活性获得了大幅度的提高。该(Na,K)_(0.5)Bi_(2.5)Nb_2O_9系列陶瓷的压电系数d_(33)达到了28 pC/N,比报道的高温铋层陶瓷的d_(33)值(~5-19pC/N)高出了50%。 用传统固相烧结法方法制备了A位缺位的(Na,K)_(0.5)Bi_(4.5)Ti_4O_(15)系列陶瓷。(Li,Ce)掺杂极大的提高了(Na,K)_(0.5)Bi_(4.5)Ti_4O_(15)系列陶瓷的压电活性和介电系数。该(Na,K)_(0.5)Bi_(4.5)Ti_4O_(15)系列陶瓷的压电系数d_(33)达到了26 pC/N,该值达到了纯Na_(0.5)Bi_(4.5)Ti_4O_(15)陶瓷压电系数d_(33)值(~10pC/N)的2.5倍以上。 在ScTa复合替代BTNO陶瓷中,Bi_3Ti_(0.96)Sc_(0.02)Ta_(0.02)NbO_9超高温陶瓷具有非常高的压电系数d_(33)值(12 pC/N)和超高居里温度T_C(905℃)。这一成果突破了前人T_C能达到900℃但压电活性却很低(d_(33)值为6 pC/N)的记录。 为了提高其电阻率、进一步提高其压电活性,用CeO_2对ScTa替代的BTNO进行掺杂,系统研究了CeO_2对该陶瓷压电活性和电阻率的影响。Bi_3Ti_(0.96)Sc_(0.02)Ta_(0.02)NbO_9+xwt.%CeO_2(x=0.35)陶瓷的d_(33)提高到18 pC/N,该值是前人未改性的Bi_3TiNbO_9压电性能(6pC/N)的3倍。 压电振子低频振动模式的高次泛音易与厚度振动模式的基频相耦合,导致厚度振动的基音串联谐振频率不能精确测量(或无法测量),造成传统泛音比法测定压电振子的机电耦合系数的精度和一致性变差或无法进行测定。为了克服传统泛音比法的这一弊端,本文提出了测定压电振子厚度振动机电耦合系数的高次泛音比法。此法通过测定3次和3次以上的高次串联谐振频率,用高次泛音比来测定压电振子厚度振动机电耦合系数。实验表明,与传统泛音比法相比,高次泛音比法具有精确度高和一致性好的明显优势。为了便于高次泛音比法的应用,提供了高次泛音比和机电耦合系数的对应表。


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