铋层状基复合压电陶瓷的制备与性能

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铋层状基压电材料是高温压电器件等领域最具有发展前景的材料体系之一。然而,由于铁电极化反转被限制在二维空间以及大的矫顽场,使其压电常数相对较低,限制了其在高温压电领域的应用。针对铋层状基压电陶瓷电学性能对煅烧粉体相组成的依赖关系和改性离子特征(半径、电子结构和浓度)、变价离子掺杂以及晶界第二相强化与体系晶格畸变、电导率和压电性能及其温度稳定性的内在联系,本文通过优化煅烧工艺调节煅烧粉体的相组成,分析了其对陶瓷电学性能的影响规律;采用碱金属与不同离子半径、价态和浓度的稀土离子组合对铋层状基压电材料进行A位改性,研究了改性离子特征与陶瓷晶胞参数、电导特性和压电性能的内在联系;引入氧化物(ZnO)添加强化陶瓷晶界,探索了复合陶瓷的制备工艺,研究了氧化物含量和制备工艺参数对复合陶瓷体电阻和压电性能的影响。采用固相工艺制备了 BaBi4Ti4O15(BBT)压电陶瓷,研究了不同煅烧温度(780、820、860、900℃)对BBT陶瓷的相组成,压电常数和剩余极化的影响。煅烧温度的降低可以有效减少钙钛矿层内氧空位的浓度,抑制氧空位对畴壁的钉扎作用,电学性能显著提高。当煅烧温度为780℃,Tc为422℃,Pr达到4.9μC/cm2,d33最大为23 pC/N。采用固相工艺制备了 A位LiX(X=La、Ce、Gd、Lu)双离子改性的SrBi2Nb2O9(SBN)陶瓷。研究发现Sr0.5(LiLa)0.25Bi2Nb209陶瓷获得了高的压电和铁电性能,其压电常数和剩余极化强度分别达到26 pC/N和7.09 μC/cm2;随着LiLa含量的改变,Sr0.7(LiLa)0.15Bi2Nb2O9陶瓷获得了最大的压电常数(29 pC/N),并且具有高的居里温度(475℃)和良好的压电性能温度稳定性。制备了 A位LiCe双离子改性的SrBi2Nb2O9陶瓷。发现随着LiCe含量的增加,电导率逐渐增大,Sr1-x(LiCe)x/2.5Bi2Nb2O9(SBN-xLiCe,x=0,0.1,0.3,0.5)陶瓷出现了从正常铁电体到弛豫铁电体的转变。通过计算在高温范围内载流子的激活能,确认了氧空位是造成高电导的原因,高温下的介电弛豫行为归因于氧空位的短程运动。采用固相工艺制备了 SrBi2Nb2O9-xZnO(SBN-ZnO)复合压电陶瓷。发现复合压电陶瓷的制备工艺和氧化锌添加量对压电性能影响是显著的。首先需要对SBN陶瓷基体进行活性处理,烧结过程中需要快速升温、降温以及缩短保温时间。当陶瓷烧结温度为980℃时SBN-0.1ZnO陶瓷的压电常数为20pC/N,比SBN陶瓷提高了 25%。
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