復(fù)合摻雜BaTiO3基陶瓷的電學(xué)性能及壓電機(jī)制.pdf

1、BaTiO3(BT)陶瓷由于其具有良好的介電和鐵電性能，被廣泛應(yīng)用于多層陶瓷電容器(MLCC)、PTC熱敏電阻、鐵電隨機(jī)存儲(chǔ)器等設(shè)備中。然而，BT陶瓷在性能方面還存在很多問(wèn)題。首先，利用普通原料通過(guò)傳統(tǒng)固相合成法制備的BT陶瓷難以獲得大的壓電性能，除非利用精細(xì)粉體與特殊燒結(jié)方法；其次，到目前為止，相變誘發(fā)的大壓電機(jī)制為準(zhǔn)同型相界(MPB)和多型性相變(PPT)，在ABO3體系中是否還存在其它壓電機(jī)制尚不得而知；最后，難以獲得壓電和力學(xué)性

2、能俱佳的BT壓電陶瓷材料。本文針對(duì)BT陶瓷存在的上述問(wèn)題，利用普通原料和固相合成法制備了LiAlSiO4(LAS)摻雜的BT陶瓷(LAS/BT)，Li2O、Al2O3及SiO2共摻雜的BT陶瓷(BLATS)，AlN摻雜的BT陶瓷(AlN/BT)，以及AlN與SiO2共摻雜的BT陶瓷(BATSN)。采用X射線衍射(XRD)和掃描電子顯微鏡(SEM)分析A/B位、A/O位及A/B/O位三種共摻雜方式對(duì)BT陶瓷物相及組織的影響。利用鐵電測(cè)量?jī)x

3、、阻抗分析儀、準(zhǔn)靜態(tài)測(cè)試儀及應(yīng)變測(cè)試儀分別獲得陶瓷樣品的鐵電、介電及壓電性能。在此基礎(chǔ)上，探討了不同燒結(jié)溫度和摻雜含量的BT陶瓷電性能的變化規(guī)律及其物理機(jī)制。
　　對(duì)于LAS/BT陶瓷，此處公式省略：離子傾向于在相同BT單胞中形成此處公式省略：離子對(duì)，并取代 A位此處公式省略：離子，并沿著[001]方向進(jìn)行定向排列。此處公式省略：離子對(duì) B位此處公式省略：離子的取代會(huì)降低由此處公式省略：離子對(duì)擇優(yōu)分布誘發(fā)晶格畸變所產(chǎn)生的彈性能，同

4、時(shí)也能夠提高 LAS在BT中的溶解度。LAS摻雜明顯改善了BT陶瓷的壓電性能及其溫度穩(wěn)定性。當(dāng)燒結(jié)溫度為1350℃時(shí)，7.5mol.％LAS/BT陶瓷獲得最優(yōu)壓電性能，壓電常數(shù)此處公式省略：，機(jī)電耦合系數(shù)此處公式省略：,機(jī)械品質(zhì)因數(shù)此處公式省略：。LAS摻雜改善了BT陶瓷d33熱穩(wěn)定性，LAS/BT陶瓷退極化溫度Td≈120℃與居里溫度TC值極為接近。此外，LAS的加入改變了BT陶瓷的相變行為特性，使得LAS/BT陶瓷具有類二級(jí)相變的特

5、征，導(dǎo)致相變勢(shì)壘高度降低。給出了此處公式省略：離子對(duì)所產(chǎn)生的偶極矩(PD)在外加電場(chǎng)(Eext)下的響應(yīng)機(jī)制，揭示了LAS/BT陶瓷的大壓電效應(yīng)的起源。
　　在LAS/BT陶瓷研究?jī)?nèi)容基礎(chǔ)上，針對(duì) Li和Al過(guò)量摻雜及Si過(guò)量摻雜的問(wèn)題，對(duì)BLATS陶瓷的物相、組織及電性能進(jìn)行研究。結(jié)果表明，當(dāng)Li和Al含量λ增加時(shí)，陶瓷樣品的2Pr值增加。當(dāng)Si含量增加時(shí)，陶瓷的2Pr值和2Ec值逐漸增加。適量的Li和Al過(guò)量摻雜及Si過(guò)量摻雜

6、能夠改善陶瓷樣品的壓電性能。
　　在AlN/BT陶瓷中，此處公式省略：和N3-離子分別取代了A位此處公式省略：離子和O位O2-離子并在同一單胞中形成此處公式省略：離子對(duì)。當(dāng)AlN摻雜含量x≤1.5mol.%時(shí)，此處公式省略：離子對(duì)傾向于垂直于c軸擇優(yōu)分布。當(dāng)燒結(jié)溫度增加時(shí)，Al3--N3-離子對(duì)擇優(yōu)取向分布越來(lái)越弱。1325℃燒結(jié)制備的1.5mol.%AlN/BT陶瓷獲得最優(yōu)壓電性能，此處公式省略：，此處公式省略：，此處公式省略：

7、。AlN摻雜使BT陶瓷同時(shí)獲得高壓電和高力學(xué)性能。當(dāng)燒結(jié)溫度為1325℃時(shí)，純BT陶瓷的d33值為140 pC/N，維氏硬度Hv為5.25GPa，而1.5mol.%AlN/BT陶瓷的d33值為305 pC/N，Hv值為5.9 GPa。
　　SiO2摻雜有助于提高 AlN在BT晶格中的溶解度。當(dāng)x=1.5mol.%，y=1.5mol.%時(shí)，Al3+-N3-離子對(duì)獲得最優(yōu)的擇優(yōu)取向分布，此時(shí)陶瓷樣品具有最佳的鐵電及壓電性能，2Pr值為