鉍層狀結(jié)構(gòu)無鉛壓電陶瓷的摻雜改性研究.pdf

1、鉍層狀結(jié)構(gòu)無鉛壓電陶瓷(BLSFs)因其具有較好的溫度穩(wěn)定性能，兼有居里溫度高、介電損耗低等特點，成為高溫壓電材料研究領(lǐng)域中最為熱門的材料之一。本文主要研究了不同離子摻雜對鉍層狀無鉛壓電陶瓷的微觀結(jié)構(gòu)變化和電學(xué)性能的影響，為獲得性能優(yōu)異的鉍層狀無鉛壓電陶瓷材料奠定相關(guān)理論和技術(shù)基礎(chǔ)。主要研究內(nèi)容如下：
　　1.采用傳統(tǒng)固相合成法制備了 Sm3+、Mo6+和復(fù)合離子(K0.5Bi0.5)2+摻雜的SrBi2Nb2O9(SBN)鉍層狀

2、結(jié)構(gòu)無鉛壓電陶瓷。研究結(jié)果表明：摻雜 Sm3+、Mo6+或(K0.5Bi0.5)2+離子，SBN陶瓷樣品均形成了典型的鉍層狀相結(jié)構(gòu)。其中，Sm3+摻雜取代Bi3+，降低了SBN陶瓷的居里溫度，但壓電性能和鐵電性能取得明顯改善。當(dāng)摻雜量為0.03時，取得最佳電學(xué)性能：2Pr=14μC/cm2，d33=19 pC/N，Tc=435℃。價態(tài)較高的Mo6+摻雜取代B位Nb5+離子，屬施主摻雜，減少氧空位的產(chǎn)生，使SBN陶瓷樣品的壓電和鐵電性能得

3、到明顯提高。當(dāng)摻雜量為0.12時，取得最佳電學(xué)性能：2Pr=20.34μC/cm2，Tc=458℃，tanδ=0.495％，d33=18 pC/N。復(fù)合離子(K0.5Bi0.5)2+摻雜取代Sr2+，促進晶粒的生長，不僅提高了陶瓷樣品的居里溫度，壓電和鐵電性能也明顯改善。當(dāng)摻雜量為0.2，獲得最為優(yōu)異的剩余極化強度(2Pr=15.5μC/cm2)；當(dāng)摻雜量為0.5時，取得最大壓電常數(shù)(d33=21 pC/N)。摻雜量為0.2時，取得優(yōu)異

4、的綜合性能：2Pr=15.5μC/cm2，d33=20 pC/N，Tc=469℃，ρrd=95.9%。
　　2.采用傳統(tǒng)固相合成法制備Na0.5Bi4.5-xErxTi4O15(NBET-x；x=0.00，0.006，0.012，0.018，0.025)和Na0.5Bi4.5-x(La0.5Ce0.5)xTi4O15(NBT-LCx；x=0.0，0.1，0.15，0.2，0.3)系列鉍層狀無鉛壓電陶瓷。研究結(jié)果表明，無論是Er3+

5、離子還是復(fù)合離子(La0.5Ce0.5)3+摻雜，都未改變NBT鉍層狀陶瓷的相結(jié)構(gòu)，即均為單一的鉍層狀結(jié)構(gòu)。摻雜離子半徑較小的Er3+，提高了陶瓷樣品的居里溫度，并且溫度穩(wěn)定性較好的Er3+離子取代易揮發(fā)的Bi3+，減少氧空位的同時，更提高了鈣鈦礦層的化學(xué)穩(wěn)定性，從而提高陶瓷樣品的電學(xué)性能。當(dāng)摻雜量為0.012時，獲得最佳電學(xué)性能：2Pr=17.2μC/cm2，d33=21 pC/N，Tc=658℃。復(fù)合離子(La0.5Ce0.5)3+

6、摻雜取代Bi3+，由于Ce離子為變價離子(Ce3+和Ce4+)，高價Ce4+取代Bi3+的過程中，屬施主摻雜，從而提高NBT陶瓷樣品的壓電性能。當(dāng)退火溫度達到430℃，陶瓷樣品NBT-LCx(x>0)的壓電性能依然保持在20 pC/N以上，說明NBT-LCx系列陶瓷不僅具有較高的壓電性能并兼具優(yōu)異的溫度穩(wěn)定性。
　　3.采用傳統(tǒng)固相合成法制備Sr1-x(K0.5Ce0.5)xNa0.5Bi4.5Ti5O18(KCSNBT-x，x=

7、0.0，0.1，0.2，0.3)系列鉍層狀無鉛壓電陶瓷。研究結(jié)果表明：(K0.5Ce0.5)2+復(fù)合離子摻雜并未改變SNBT陶瓷的鉍層狀相結(jié)構(gòu)，但隨摻雜量的增加，晶胞參數(shù)發(fā)生明顯的變化。(K0.5Ce0.5)2+復(fù)合離子摻雜對陶瓷的居里溫度影響并不明顯，但隨摻雜量的增加， KCSNBT-x陶瓷的鐵電及壓電性能取得顯著提高。當(dāng)摻雜量為0.3時，取得較為優(yōu)異的綜合性能：2Pr=16.4μC/cm2，d33=21 pC/N，Tc=567℃。此