鉍基鈣鈦礦弛豫鐵電陶瓷組成設計、機電應變和能量存儲特性研究.pdf

1、弛豫鐵電材料具有高的機電應變特性以及能量存儲性能使其在驅動器、傳感器和高功率密度電容器等領域中得到了廣泛應用。Bi基鈣鈦礦弛豫鐵電材料具有良好的鐵電性能以及相關的三元體系能夠在較寬的組成范圍內調節(jié)以滿足實際應用。本文選擇以BiFeO3(BF)、Bi(Mg1/2Ti1/2)O3(BMT)以及Bi(Ni1/2Ti1/2)O3(BNiT)為代表的鉍基類鈣鈦礦陶瓷材料為基體，通過組成的優(yōu)化設計，構建了新的三元體系，探索其組成-結構-電學性能之間

2、的關系，并著重對機電應變、能量存儲特性及其相關機理進行研究，全文主要研究內容和創(chuàng)新之處如下:
　　(1)考慮到BF-PbTiO3(PT)具有優(yōu)異的鐵電性能，通過弛豫鐵電體Ba(Zr0.25Ti0.75)O3(BZT)取代BF，構建了新的BF-PT-xBZT三元體系。研究表明，隨著BZT含量的增加，存在菱方相-菱方和四方相共存-偽立方相的相結構轉變，同時伴隨著正常到弛豫的相轉變。在這一過程中，x=0.19組成獲得了增強的壓電性能（d

3、33～390pC/N）和應變性能（E=4kV/mm，S～0.24％，d33*～600pm/V），而在x=0.27組成獲得了大的應變性能(E=4kV/mm，S～0.36％，d33～900pm/V)而無準靜態(tài)的壓電性能。采用原位電場同步輻射XRD測試，分析了這些樣品在電場下相結構的演變過程，進一步揭示了該陶瓷具有高的壓電和應變性能的內在機理。
　　(2)設計了一個新型的無鉛BF-BaTiO3-xBaZrO3(BF-BT-xBZ)三元體

4、系。通過介電、鐵電以及應變性能的測試，結果表明室溫下存在非各態(tài)歷經(jīng)-各態(tài)歷經(jīng)弛豫相轉變。當x=0.04時，Tf接近室溫，具有各態(tài)歷經(jīng)和非各態(tài)歷經(jīng)相共存，并獲得了大的應變性能（7kV/mm，S～0.37％，d33*～528pm/V）和較小的滯后(Hys.～39％)。通過對不同電場和頻率下的應變分析表明，其應變主要是由于電場誘發(fā)的各態(tài)歷經(jīng)弛豫相-鐵電相的轉變，并發(fā)現(xiàn)大應變具有較低的驅動電場Eef和頻率不敏感特性，使得該材料在陶瓷驅動器領域具

5、有一定的潛力。
　　(3)利用弛豫鐵電體Pb(Ni1/3Nb2/3)O3（PNN）與BMT相互取代，構建了BMT-PT-xPNN三元體系。研究發(fā)現(xiàn)，該體系在室溫下存在非各態(tài)歷經(jīng)-各態(tài)歷經(jīng)-非各態(tài)歷經(jīng)相的演變過程。在這一過程中，在富BMT一側和富PNN一側的兩相共存區(qū)附近出現(xiàn)了兩個應變極值，分別為x=0.2，S～0.36％，d33*～600pm/V;x=0.65，S～0.3％，d33*～420pm/V。有趣的是，富BMT一側組成的應

6、變具有較大的應變滯后但溫度穩(wěn)定性較好;相反，富PNN一側組成的應變雖然具有較小的應變滯后但對溫度變化比較敏感。分析表明這一現(xiàn)象歸因于BMT一側相比于PN、N一側組成的極性納米微區(qū)具有較大尺寸以及弱的活性。
　　(4)在BNiT-PT-xPMN(Pb(Mg1/3Nb2/3)O3）體系中，通過對BNiT和PMN的相互取代，發(fā)現(xiàn)兩端組成向中間變化弛豫程度逐漸增加，并觀測到在偽立方-四方相相變的同時伴隨著弛豫-鐵電的轉變。在較寬的組成范圍

7、內0.15≤x≤0.4存在各態(tài)歷經(jīng)和非各態(tài)歷經(jīng)兩相的共存，從而獲得了對組成不敏感的大應變平臺(S～0.36％，d33*=583pm/V)。通過該體系的機電應變對溫度響應特性的進一步研究發(fā)現(xiàn)，不僅在Tf附近獲得大應變，在Tfr附近也能夠獲大應變，均由于電場誘發(fā)的各態(tài)歷經(jīng)弛豫相-鐵電相轉變的緣故。由于Tfr附近的各態(tài)歷經(jīng)相與長程鐵電相具有更相似的自由能，因此Tfr溫度附近的大應變具有低的滯后及驅動電場，但應變值相對較小。
　　(5)系

8、統(tǒng)研究分析了低損耗微波介質材料Ba(Mg1/3Nb2/3)O3(BMN)與BF-BT構建的BF-BT-xBMN三元體系的介電、鐵電以及能量存儲性能。研究發(fā)現(xiàn)，BMN的加入，成功調節(jié)了該體系的弛豫特性。當BMN含量為x=0.06時，在12.5kV/mm電場下獲得高的Pmax(38μC/cm2)以及低的Pr(5.7μC/cm2)，導致其具有高的能量存儲性能:W1.56J/cm3，η～75％。這些結果主要歸因于電場誘導的各態(tài)歷經(jīng)弛豫相-鐵電相

9、可逆轉變。此外，在25-190℃溫度范圍內其能量存儲性能具有良好的熱穩(wěn)定性，這是由于各態(tài)歷經(jīng)和非各態(tài)歷經(jīng)弛豫相能在該溫度范圍內同時共存，即兩相具有相似的自由能，在外加電場作用下該溫度范圍內的各態(tài)歷經(jīng)弛豫相較容易的轉變?yōu)殚L程鐵電相。
　　(6)利用與BF的容許因子差別較大的La(M1/2Ti1/2)O3(LMT)取代BF，構建了BF-BT-xLMT三元體系。研究發(fā)現(xiàn)，LMT的加入更容易調節(jié)了該體系的弛豫特性，并在LMT含量為0.06