氧化物助烧剂对BiFeO3-BaTiO3无铅压电陶瓷的结构及性能影响研究

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BiFeO3-BaTiO3(BFO-BTO)由于其较高的居里温度和压电活性,而且存在菱形相和伪立方相共存的准同型相界结构,在相界附近能够获得较好的介电、压电和铁电性能,因而备受研究者们的关注。但是,主晶相BiFeO3中的Bi元素在高温烧结过程中易挥发,并且Fe3+会变价为Fe2+,使得BFO-BTO的漏电流较高,难以在高温高压下充分极化,电学性能受到限制。本论文采用传统固相反应法制备0.7BiFeO3-0.3BaTiO3陶瓷,研究氧化物助烧剂Sb2O3、SiO2、CuO对BFO-BTO压电陶瓷的烧结、结构和电性能的影响,希望达到降低烧结温度、提高绝缘性能、改善压电性能的目的。主要研究内容包括:首先,研究了Sb2O3掺杂对BFO-BTO陶瓷的结构和电性能的影响,并探讨其改性机理。Sb2O3掺杂促进烧结和晶粒生长,增强了铁电弛豫,并使居里温度Tc有所降低。Sb掺杂使BFO-BTO陶瓷产生晶格畸变,促进了BFO-BTO从正常铁电体向弛豫铁电体的转变。导电特性及XPS测试结果表明氧空位是主要载流子。Sb掺杂没有改变陶瓷的导电机制,但减少了氧空位和Fe2+浓度,因而降低了电导率和高温损耗,提高了绝缘性。当掺入0.05 wt%Sb2O3时陶瓷的综合电性能良好:Tc≈520℃,d33=213 pC/N,kp=28.8%。其次,研究了SiO2掺杂对BFO-BTO陶瓷的结构和电性能的影响。SiO2可以降低烧结温度,减小损耗,提高陶瓷的绝缘性。SiO2使BFO-BTO陶瓷从伪立方相向菱形相转变,晶粒尺寸更加均匀。SiO2会使BFO-BTO陶瓷的弛豫性大大增加,接近理想的弛豫铁电体,居里温度仍然能保持较高的数值(Tc≥520℃)。总体来说,SiO2属于硬性掺杂,当SiO2掺杂量x=0.05时,d33=197 pC/N,kp=0.34,Td≥400℃。最后,在SiO2掺杂的基础上探讨了CuO掺杂对BFO-BTO-Si+xCuO陶瓷的结构和电性能的影响。CuO掺杂加强了BFO-BTO-Si陶瓷的菱方相结构,增强了铁电性,并使居里温度显著升高,加入0.075 wt%CuO使陶瓷的Tc由~500℃升高到~550℃。Cu、Si共掺杂显著提高了陶瓷的压电性能并拓宽烧结范围,获得了高居里温度、高压电性和良好温度稳定性兼备的压电陶瓷材料。当x=0.10时,陶瓷的综合电性能最佳:d33=234 pC/N,kp=0.37,Qm=32,Tc≈545℃,Td≈480℃,tanδ=0.052,Ec=26.15 k V/cm,Pr=25.1μC/cm~2。
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