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(Na_(0.5)Bi_(0.5))TiO_3基陶瓷的化学法合成、结构与压电、铁电特性研究

陈书涛  
【摘要】: 钛酸铋钠(Na_(0.5)Bi_(0.5))TiO_3,简称NBT)是一类钙钛矿型的A位离子复合取代铁电体,其居里点(T_c)为320℃,在室温下具有很强的铁电性,被认为是无铅压电陶瓷最有希望的候选材料之一。本论文采用柠檬酸盐法制备了NBT基陶瓷,系统研究了材料的合成方法与制备工艺、结构、极化行为和压电性能,分析了NBT基陶瓷的压电性能与组成、结构之间的相关性,并结合实验结果探讨了NBT基陶瓷的铁电本质及其对材料压电性能的影响与作用规律。 采用柠檬酸盐法制备NBT基超细粉体。研究结果表明,柠檬酸与金属离子的摩尔比(C/M~(n+))、前驱体溶液的pH值和热处理温度是影响溶胶及凝胶的形成、合成粉体的晶体结构与颗粒形态的主要因素。通过实验研究确定了适当的合成工艺条件,并制备出NBT基超细粉体。 研究了(1-x)(Na_(0.5)Bi_(0.5))TiO_3-xBaTiO_3(简称NBT-BT(x))体系陶瓷的结构、极化行为与压电性能。研究结果表明,极化电压和极化温度对NBT-BT(x)体系陶瓷的压电性能有很大影响,而极化时间对材料压电性能的影响则不显著。柠檬酸盐法制备NBT-BT(x)体系的三方-四方准同质相界在x=0.06附近,在准同质相界附近样品的压电性能达到极大值。与常规固相法相比,采用柠檬酸盐法有利于提高样品的压电性能。 采用添加物MnO和CoO对NBT-BT(x)体系准同质相界附近的组分NBT-BT6进行B位取代,并研究了A、B双位取代的NBT基陶瓷的柠檬酸盐法合成、结构与压电性能。研究结果表明,添加MnO和CoO对材料的晶体结构未产生显著影响,各组分样品保持三方-四方共存结构。与NBT-BT6相比,添加适最MnO可以提高机电耦合系数k_p和机械品质因数Q_m,同时使介电常数ε_(33)~T/ε_0和压电常数d_(33)降低,表现出“软硬双性”添加物的作用。而添加CoO则使材料压电性能出现明显的退化。 研究了NBT基陶瓷的铁电特性。研究结果表明,NBT基陶瓷铁电性能与压电性能的变化规律存在明显的对应关系。剩余极化强度P_r和矫顽场E_c都是影响材料压电性能的重要因素。一方面,高的矫顽场E_c使材料在极化过程中铁电畴无法充分转向,不利于提高压电性能;另一方面,高的剩余极化强度P_r使材料铁电性的增强,有利于提高压电性能。NBT基陶瓷的压电性能依赖于剩余极化强度P_r和矫顽场E_c的共同作用。


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