A_B位摻雜鈦酸鉍鈉基無鉛壓電陶瓷的電致應(yīng)變研究

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1、A/B位摻雜鈦酸鉍鈉基無鉛壓電陶瓷的電致應(yīng)變研究StudyofA/BDopingEffectsontheElectricalStrainofBNTbasedLead-FreePiezoelectricCeramics學(xué)科專業(yè)：材料學(xué)作者姓名：葛瑞芳指導(dǎo)教師：戴葉婧副教授天津大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院二零一七年十二月摘要本文選擇鈦酸鉍鈉(Bi0.5Na0.5TiO3，簡稱BNT)基陶瓷為研究對象，以Bi0.5Na0.5TiO3-Bi0.5K0.5TiO3和Bi0.5Na0.5TiO3-BaTiO3-K0.5Na0.5NbO

2、3為基礎(chǔ)體系，利用傳統(tǒng)固相法制備陶瓷樣品，系統(tǒng)地研究A/B位摻雜離子的種類和含量對陶瓷相結(jié)構(gòu)、電學(xué)性能的影響。研究了Li單摻雜A位對(Bi1-xLix)0.5(Na0.84K0.16)0.5TiO3(0.16BNKT-xLi)和(Bi1-xLix)0.5(Na0.8K0.2)0.5TiO3(0.2BNKT-xLi)(x=0、0.01、0.02、0.04)兩種陶瓷體系的相結(jié)構(gòu)和電學(xué)性能的影響。XRD結(jié)果表明，當(dāng)Li+摻雜取代A位Bi3+后，陶瓷材料發(fā)生由三方四方共存相向偽立方相的轉(zhuǎn)變。電滯回線表明隨摻雜含量逐漸加大，材

3、料的飽和極化強(qiáng)度、剩余極化強(qiáng)度都有所降低，矯頑場略微增大，同時材料的正應(yīng)變和負(fù)應(yīng)變隨之降低，表明低價Li的引入在一定程度上起到了使材料變“硬”的效果。為了抵消低價Li摻雜帶來的電荷失衡，同時在B位引入Nb離子，形成A/B位復(fù)合摻雜(Bi1-xLix)0.5(Na0.84K0.16)0.5(Ti1-xNbx)O3(0.16BNKT-xLiNb)，在XRD結(jié)果中也發(fā)現(xiàn)了相轉(zhuǎn)變過程，并且當(dāng)x=0.05，材料發(fā)生鐵電到弛豫相的轉(zhuǎn)變，在單極電場下應(yīng)變能達(dá)到最大0.38%@5.5kV/mm，其逆壓電系數(shù)d*33達(dá)到690pm/V

4、，應(yīng)變滯后值達(dá)到為69%。研究了B位Sb單摻雜和Al/Sb復(fù)合摻雜對Bi0.5(Na0.84K0.16)0.5Ti1-xSbxO3(0.16BNKT-xSb)和Bi0.5(Na0.84K0.16)0.5Ti1-x(Al0.5Sb0.5)xO3(0.16BNKT-xAlSb)相結(jié)構(gòu)和電學(xué)性能的影響。XRD結(jié)果表明隨著摻雜含量增加，材料均發(fā)生了相轉(zhuǎn)變過程，變?yōu)閭瘟⒎较嘟Y(jié)構(gòu)。電滯回線中，Sb的摻雜材料有從鐵電相向順電相轉(zhuǎn)變的趨勢，Al/Sb復(fù)合共摻降低了陶瓷的鐵電有序性，發(fā)生鐵電-弛豫相變過程。單摻Sb5+與Al3+/Sb

5、5+離子共摻對材料性能的影響相近，使材料的相轉(zhuǎn)變溫度降低至室溫附近，當(dāng)BNKT-xSb處在相轉(zhuǎn)變溫度時，其應(yīng)變能達(dá)到最大0.30%@5.5kV/mm（d*33最大為545pm/V），而0.16BNKT-xAlSb能達(dá)到最大0.18%@5.5kV/mm（d*33最大為327pm/V）。研究了B位CuO摻雜對BNT-BT-KNN陶瓷相結(jié)構(gòu)、形貌、電學(xué)性能的影響。結(jié)果表明，摻雜后材料處于三方和四方共存的準(zhǔn)同型相界，CuO摻雜產(chǎn)生的液相在燒結(jié)過程中起到助燒作用，將燒結(jié)溫度降低至950°C，降低了材料的鐵電有序性，鐵電弛豫相轉(zhuǎn)

6、變溫度TF-R從70°C降低至室溫附近。摻雜后樣品最大應(yīng)變S*max=0.37%@5kV/mm，逆壓電系數(shù)d33達(dá)到740pm/V。關(guān)鍵詞：無鉛壓電陶瓷，BNT，摻雜方式，電致應(yīng)變IIIABSTRACTInthispaper,thedopedBNTpiezoelectricceramicshavebeenobtainedbytraditionalsolidphasemethodandtheeffectsofdopantsonthephasestructure,piezoelectric,dielectric,ferr

7、oelectric,andA/BdopingeffectsontheelectricalstrainofBNTbasedlead-freepiezoelectricceramicswerestudied.TheeffectofLiionssubstitutiononphasestructure,piezoelectric,dielectric,ferroelectricfor(Bi1-xLix)0.5(Na0.84K0.16)0.5TiO3(0.16BNKT-xLi)and(Bi1-xLix)0.5(Na0.8K0.

8、2)0.5TiO3(0.2BNKT-xLi)(x=0、0.01、0.02、0.04)wasinvestigated.TheXRDpatternsconfirmedtheformationofpureperovskitestructure,whichindicatedthatthedopingironshavebeentotallyinthecr