鈦酸鉍鈉基材料的電致應(yīng)變與弛豫特性研究.pdf

1、鈦酸鉍鈉(Bi0.5Na0.5TiO3，BNT)基陶瓷是一類重要的鈣鈦礦型無(wú)鉛鐵電、壓電材料。這種材料因其特殊的結(jié)構(gòu)而具有大的剩余極化、大的電致應(yīng)變和良好的弛豫特性等優(yōu)點(diǎn)，因此可以在制動(dòng)器、電卡、儲(chǔ)能以及氧離子導(dǎo)體等方面有巨大的應(yīng)用前景。但是，BNT基材料還存在一些問(wèn)題，例如其結(jié)構(gòu)、微觀形貌和缺陷等與性能之間的關(guān)系尚不明確，鐵電、壓電、介電等各方面的性能也有待提高等。本文通過(guò)對(duì)鈦酸鉍鈉基鐵電陶瓷A/B位摻雜、取代以及與鈦酸鋇、鈦酸鉍鉀和

2、鈦酸鍶鉍等固溶來(lái)提高性能，并分析其大電致應(yīng)變對(duì)材料結(jié)構(gòu)和形貌的依賴關(guān)系，進(jìn)而研究了缺陷對(duì)材料電學(xué)和弛豫特性的調(diào)控規(guī)律。
　　制備了0.94(Bi0.5Na0.5)TiO3-0.06BaTiO3二元固溶體，研究了室溫和110℃不同電場(chǎng)下的電滯回線、極化反轉(zhuǎn)和應(yīng)變曲線。在這兩個(gè)溫度下，電滯回線的變化表征了其電疇轉(zhuǎn)向分三個(gè)階段。室溫和110℃時(shí)，第一和第三個(gè)階段都遵循定比定律，而第二個(gè)階段由于活性疇的數(shù)量隨著電場(chǎng)增加而不斷變化無(wú)法擬合。

3、與不同電場(chǎng)下應(yīng)變和電流曲線對(duì)比，室溫下第二階段應(yīng)變?cè)龃笾饕獊?lái)源于非-180°疇的轉(zhuǎn)向。而110℃時(shí)，第二個(gè)階段則主要是隨機(jī)取向的納米極化區(qū)在外電場(chǎng)下的定向排列以及隨后的疇長(zhǎng)大，最終形成長(zhǎng)程有序鐵電疇的過(guò)程，這個(gè)階段對(duì)應(yīng)應(yīng)變?cè)鲩L(zhǎng)最快區(qū)間則表明了電場(chǎng)引起的弛豫相向鐵電相變是高溫相大應(yīng)變的主要來(lái)源。
　　為了進(jìn)一步獲得室溫下可應(yīng)用的大電致應(yīng)變，制備了(0.945-x)(Bi0.5Na0.5)TiO3-0.055BaTiO3-x(Sr0.

4、7Bi0.2□0.1)TiO3(□代表Sr空位)三元固溶體。當(dāng)x=0時(shí)材料在初始狀態(tài)下存在三方單斜共存相向純?nèi)较嗟牟豢赡嫦嘧冞^(guò)程，導(dǎo)致了大剩余應(yīng)變 Sr=0.330％，這個(gè)過(guò)程同時(shí)也是非遍歷弛豫相向鐵電相的不可逆相變過(guò)程。隨著(Sr0.7Bi0.2□0.1)TiO3含量增加，鐵電有序被打破，伴隨著Pr和Ec減小以及鐵電-弛豫相轉(zhuǎn)變溫度降低。鐵電和遍歷弛豫相共同存在于x=0.02中，外加電場(chǎng)帶來(lái)了疇轉(zhuǎn)向以及遍歷弛豫相向鐵電相的可逆相變，

5、這種耦合使得 x=0.02在室溫附近具有大電致應(yīng)變 S=0.428%，以及大Smax/Emax=713 pm/V。
　　制備了Li摻雜(Bi0.5Na0.4K0.1)0.98Ce0.02TiO3鐵電陶瓷，研究了缺陷偶極子對(duì)電場(chǎng)引發(fā)的鐵電疇轉(zhuǎn)向和弛豫到鐵電相變的影響。室溫下，缺陷偶極子(L'''Ti-V"o)'受到極化后定向排列疇的影響會(huì)發(fā)生取向性而產(chǎn)生內(nèi)電場(chǎng)，因而出現(xiàn)了不對(duì)稱的電滯回線以及應(yīng)變曲線。進(jìn)一步研究了其不同溫度下電學(xué)特性

6、以及結(jié)構(gòu)變化。值得注意的是，在80℃≤T≤90℃溫度區(qū)間內(nèi)，電滯回線變?yōu)殡p電滯回線特征，但其電滯回線與應(yīng)變曲線不對(duì)稱特性一直存在。這是由于在這個(gè)區(qū)間內(nèi)鐵電與遍歷弛豫相共存，缺陷偶極子還仍然具有定向排列，從而對(duì)于遍歷弛豫相向鐵電相變也具有釘扎作用。
　　制備了室溫下具有大電致伸縮特性的(0.94-x)(Bi0.5Na0.5)TiO3-0.06BaTiO3-x(Sr0.7Bi0.2□0.1)TiO3弛豫陶瓷。當(dāng) x=0.3時(shí)，S-P2

7、曲線完全符合二次方關(guān)系特點(diǎn)則表明其具有的電致伸縮效應(yīng)，電致伸縮應(yīng)變達(dá)S=0.152%，電致伸縮系數(shù)Q11=0.0297 m4/C2。通過(guò)疇結(jié)構(gòu)分析表明大電致伸縮特性來(lái)源于室溫下存在的鐵電納米疇。
　　進(jìn)一步制備了Bi缺位(0.94-x)(Bi0.5Na0.5)TiO3-0.06BaTiO3-x(Sr0.7Bi0.2□0.1)TiO3陶瓷，獲得了介電常數(shù)值為5000溫度范圍超過(guò)250℃的溫度穩(wěn)定介電材料，說(shuō)明了其在高溫介電領(lǐng)域的應(yīng)用

8、潛力。通過(guò)不同氣氛下的阻抗譜分析，表明Bi缺位使氧空位更易遷移，從而使Bi缺位陶瓷在很寬的溫度范圍內(nèi)有較高的介電常數(shù)。
　　制備了Fe取代(Bi0.5+x/2Na0.5-x/2)0.94Ba0.06Ti1-xFexO3陶瓷，大大的提高了抗疲勞性能。當(dāng)x=0時(shí)，電場(chǎng)使得材料存在贋立方到三方四方共存的相變，B位Fe取代Ti以及A位Bi取代Na，使缺陷偶極對(duì)(B"Na-Fe'Ti)'沿(111)方向，電場(chǎng)致相變變?yōu)榱速灹⒎较蛉降南嘧儭?/p>

9、四方相中疇主要是180°以及90°，而90°疇轉(zhuǎn)向存在較大應(yīng)力，隨著疲勞次數(shù)增加，疇轉(zhuǎn)向逐漸受到了抑制。另外，氧空位在疲勞過(guò)程中的遷移與聚集，對(duì)疇轉(zhuǎn)向以及疇壁的釘扎也是疲勞性能惡化的主要原因。而Fe取代B位，形成的缺陷Fe'Ti對(duì)氧空位起了釘扎作用，進(jìn)一步提高了抗疲勞性能，鐵電性能在105內(nèi)沒有明顯降低。
　　最后，建立了一個(gè)修正 Landau-Ginzberg-Devonshire模型來(lái)模擬納米極化區(qū)對(duì)0.94(Bi0.5Na0