铁酸铋基无铅压电陶瓷的掺杂与性能研究

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具有钙钛矿结构的铁酸铋基无铅压电陶瓷材料(1-x)Bi Fe O3-x Ba Ti O3(简称BFO-BTO)因其良好的压电性能和较高的居里温度,有望成为广泛应用于工业生产的新型无铅压电陶瓷材料。然而,由于烧结过程中铋的挥发性以及高温下Fe3+和Fe2+之间的转化,导致材料漏电流较大而性能不理想,因此需要对该材料进行改性研究。本文拟以0.7Bi Fe O3-0.3Ba Ti O3(0.7BFO-0.3BTO)为研究对象,采用添加氧化物和ABO3型钙钛矿化合物的改性手段,分别研究了Mn O2、Cu O和Bi(Mg2/3Nb1/3)O3(简称BMN)对BFO-BTO材料的烧结性能、物相组成、显微结构以及电性能的影响。主要研究内容如下:首先,研究了Mn O2掺杂对0.7BFO-0.3BTO陶瓷的结构和电性能的影响。Mn O2掺杂有助于提高陶瓷的致密度、均匀性和电阻率,但是会抑制晶粒长大。Mn O2掺杂会产生晶格畸变,加入量较多(0.5wt%)时会形成四方晶相。随着Mn O2含量的增加,居里温度略有降低,居里峰逐渐平坦、宽化,表现出显著的弛豫特性。适量的Mn O2可以降低陶瓷样品的介电损耗,当Mn O2的掺杂量为0.1~0.3wt%时,陶瓷具有较低的损耗值。其次,研究了Cu O掺杂对0.7BFO-0.3BTO+0.1wt%Mn O2陶瓷的结构和电性能的影响。Cu O作为一种有效的助烧剂,可以明显提高陶瓷的致密性和晶粒生长,显著改善压电、铁电性能。Cu O促进了陶瓷由弛豫铁电体向正常铁电体的转变。掺杂Cu O后陶瓷的居里温度升高,由450℃(x=0)升高到490℃(x=0.05),且居里峰值显著升高,高温介电损耗也明显增大。Cu O掺杂会影响0.7BFO-0.3BTO材料的导电机制。当Cu O的掺杂量为0.2wt%时,材料的压电性能温度稳定性得到提高(Td=~500℃),此时材料的综合电性能良好:d33=178p C/N,Tc=510℃,kp=0.242,Pr=8.6μC/cm2,Ec=9.0 k V/cm。最后,研究了BMN掺杂对0.7BFO-0.3BTO陶瓷的结构和电性能的影响。结果表明:BMN与BFO-BTO材料可以实现良好固溶,(Mg2/3Nb1/3)3+复合离子的B位取代造成组成微区成分的不均匀性而引起弛豫现象,加入0.02mol的BMN可使BFO-BTO材料转变为理想的弛豫铁电体。随着BMN含量的增加,0.7BFO-0.3BTO陶瓷的居里峰εm和居里温度Tm不断降低。适量掺杂BMN可以改善0.7BFO-0.3BTO材料的高温绝缘性以及压电和铁电性能。
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