A位复合离子取代BNT-BT压电陶瓷的微观结构、电性能和介温稳定性研究

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本文采用固相烧结工艺制备了A位复合离子取代0.95(Bi0.5Na0.5)1-x(Li0.5Nd0.5)xTiO3-0.05BaTiO3(简写为BNTLNx-BT5)无铅压电陶瓷。系统地研究A位复合离子(Li20.5Nd0.5)+取代对0.95Bi0.5Na0.5TiO3-0.05BaTiO3陶瓷的晶体结构、铁电性能和压电、介电特征的影响,并探讨了A位复合改性对介电、压电性能的作用机理。主要创新点和结果如下:研究了A位复合离子(Li0.5Nd+0.5)2取代对BNTLNx-BT5(x=0、0.01、0.03、0.05、0.07、0.1)陶瓷的显微结构、压电和介电性能的影响。XRD结果表明:在x=0.01~0.03时,BNTLNx-BT5陶瓷存在一个斜方六面体结构与伪立方结构共存的准同型相界(MPB)。SEM结果表明:适量(Li20.5Nd0.5)+复合离子取代促进晶粒增长,在x=0.07时,样品的晶粒尺寸达到最大值(~9μm)。适量的(Li20.5Nd0.5)+离子取代能诱导BNTLNx-BT5陶瓷的介电弥散指数γ的增加。在x=0.07时,BNTLNx-BT5陶瓷拥有最佳的压电常数d33=135pC/N和最高的弥散指数γ=1.90。(Li0.5Nd0.5)2+复合离子取代导致BNTLNx-BT5陶瓷的介电常数εr和介电损耗tanδ逐步增加。研究了极化电场Epol对BNTLNx-BT5陶瓷块状和粉末的晶体结构的影响。极化电场诱导电畴的有序化和诱导“伪宏畴”的形成,导致BNTLNx-BT5体系的块状与粉末都出现了分峰及峰强的变化。研究了极化电场对BNTLN0.01-BT5陶瓷的晶体结构、压电介电性能的影响。当Epol=20kV/cm时,由于大量纳米畴组合成“伪宏畴”,且“伪宏畴”的有序度高,(003)/(021)峰的强度比值大于1,样品的压电常数d33达到饱和(d33=124pC/N)。当Epol≥30kV/cm时,(003)/(021)峰的强度比值略有降低,压电常数d33降低。室温介电常数的频率依赖性Δεr随极化电场Epol的提高而弱化。Epol致使电畴的尺寸增加,导致介电频率依赖性随温度提高而降低。研究了烧结温度(Ts=1070,1100,1130,1160oC)对BNTLN0.03-BT5陶瓷的晶体结构、形貌和压电介电性能的影响。结果表明:当Ts=1070~1110oC时,样品具有斜方六面体结构,而当Ts=1130~1160oC时,样品晶体结构为伪立方结构。在Ts=1130oC时,BNTLN0.03-BT5样品表现出了最佳的压电性能d33=140pC/N,kp=0.30,Qm=218,kt=0.55。随着Ts的提高,样品的介电常数εr和介电损耗tanδ缓慢增加。此外,在25oC≤T≤200oC的温度范围内,样品介电频率依赖性随温度的提高逐渐降低。样品的弥散指数γ随着烧结温度的提高而逐渐增大。研究了退火温度(Ta=25、800、850、900、950、1000oC)对BNTLN0.03-BT5陶瓷的晶体结构、压电和介电特征的影响。在Toa=900C时,极化后的样品具有最大的90o电畴转向率K=69.41%;具有最佳的压电性能d33=148pC/N,kp=0.33;拥有最低的退极化温度Tood1=71C;拥有最高的非遍历态消失温度Th=430C;具有最大的介电弥散程度(γ=1.99)。
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