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學科專業(yè)：材料學作者姓名：葛瑞芳指導教師：戴葉婧副教授天津大學材料科學與工程學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)和電學性能的影響。XRD結(jié)果表明，當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、料的飽和極化強度、剩余極化強度都有所降低，矯頑場略微增大，同時材料的正應(yīng)變和負應(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)變能達到最大0.38%@5.5kV/mm，其逆壓電系數(shù)d*33達到690pm/V

4、，應(yīng)變滯后值達到為69%。研究了B位Sb單摻雜和Al/Sb復合摻雜對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BNKT-xSb處在相轉(zhuǎn)變溫度時，其應(yīng)變能達到最大0.30%@5.5kV/mm（d*33最大為545pm/V），而0.16BNKT-xAlSb能達到最大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