论文部分内容阅读
压电陶瓷具有好的电能与机械能之间的转换的优良性能。在石油、航空、汽车、电子传感器、扬声器等电声器件，换能器方面具有广泛的应用。现在市场上广泛应用的大多数还是铅基压电陶瓷，但是铅基压电陶瓷在使用过程中会产生大量有毒的氧化物，对环境和人体容易造成危害，所以研究可替代铅基压电陶瓷的无铅压电陶瓷成为了研究的热点与关键。本文选取0.67BiFeO3(BF)-0.33BaTiO3(BT)为基本组成,通过传统固态烧结方法制备了xBiGaO3(x=0、0.01、0.02、0.03、0.04)、xBiScO3(x=0、0.005、0.01、0.015、0.02)、xBi(Zn0.5Ti0.5)O3(x=0、0.02、0.03、0.035、0.04、0.05)掺杂0.67BF-0.33BT基高温无铅压电陶瓷。系统研究了该体系的晶体结构、表面形貌、电学性能及温度稳定性。研究内容如下： （1）、研究了 0.67BiFeO3-0.33BaTiO3-xBiGaO3(x=0、0.01、0.02、0.03、0.04)缩写为 BF-BT-xBG 体系高温无铅压电陶瓷的物相结构、微观形貌、电学性能及温度稳定性的关系。XRD 结果表明 x=0、0.01、0.02、0.03、0.04、均为纯钙钛矿结构，并表现为伪立方结构。通过SEM可以得知随着BiGaO3含量的增加，陶瓷的晶粒大小先增大后减小，并在x=0.02时达到最大值。通过准静态d33测试仪测得在x=0.02时，压电性能达到最优值d33=170 pC/N，kp=0.306，Qm=42.877。BF-BT-xBG的铁电性能通过铁电测试仪测得当x=0.02 时，测试电场 E=60kV/cm ，得到矫顽场Ec=22.059kV/cm, 并得到最大的剩余极化强度Pr=25μ C/cm2。通过温度特性多通道测量仪测得在x=0.02处最大Tc=434℃，随着x的增加Tc逐渐降低，其由正常铁电体向弛豫铁电体转变。通过非原位测量退极化温度得知，Td先增加后减少并在x=0.02时达到最大值Td=422℃，表明该陶瓷具有优良的高温应用价值。 （2）、系统研究了 0.67BiFeO3-0.33BaTiO3-xBiScO3(x=0、0.005、0.01、0.015、0.02)缩写为BF-BT-xBSc体系高温无铅压电陶瓷的成分与结构、微观组织、压电、介电、铁电一系列电学性能及温度稳定性的影响。通过 XRD 表征得，随着 x 由 0增加到0.02，样品均为钙钛矿结构，晶体结构变化不大，并显示出为伪立方结构的特征。通过SEM表征出随着x由0增加到0.01，晶粒的尺寸先增大后减小，并在x=0.01达到最大值。在x=0.01时，样品具有最好的压电性能d33=165 pC/N，机电耦合系数 kp=0.349，机械品质因数 Qm=52.132。P-E 曲线显示所有样品都具有饱和特征的电滞回线，随着x的增加矫顽场变化不大，剩余极化强度随着x的增加先增加后降低，在x=0.01时达到最大值Pr=37.1μ C/cm2。介电温谱显示在x较小时峰比较尖锐，随着x的增加，峰顶逐渐变缓，逐渐显示出弛豫铁电体的特征并表现出弥散特性，但变化不大；居里温度Tc随着BS的增加先升高后降低在x=0.01时达到最大值 Tc=425℃。由非原位退极化表征的结果得，随着 x 的增加 Td先增加后降低并在x=0.01时达到最大值Td=408℃。 (3)、0.67BiFeO3-0.33BaTiO3-xBi(Zn0.5Ti0.5)O3(x=0、0.02、0.03、0.035、0.04、0.05)体系高温无铅压电陶瓷： ①该体系x=0、0.02、0.03、0.035、0.04、0.05的39o左右峰为单峰(111)，在 45o左右峰为单峰(200), 且不对称，表明其为单一的伪立方钙钛矿结构； ②通过SEM表征得x由0增加到0.05时，晶粒尺寸先增加在x=0.03时达到最大值，后随着x增加到0.05时逐渐减少； ③从XPS光谱结果中，我们可以得到Bi，Fe分别为+3、+3价，Cu可能是以+2价离子的形式，或者可能以单质与离子共存的形式存在； ④通过对样品陶瓷密度的测试我们得出其在烧结温度为970℃、x=0.02时为最大值7.2669； ⑤样品在烧结温度为970℃, 烧结时间为4h时获得最佳的压电性能d33=188 pC/N，机电耦合系数kp=0.301，机械品质因数Qm=29.234； ⑥样品的介电常数在x=0.03达到最大值εr=1062.36，样品的介电损耗是先降低后增加并在x=0.03时达到最小值； ⑦当x=0.03时得到铁电性能在E=60kV/cm时，得到Ec=24.19kV/cm,并得到最大的Pr=61.2μ C/cm2； ⑧随着x的增加，样品的居里温度峰逐渐由尖峰变为宽峰，显示其为正常铁电体变为弛豫铁电体。且随着x的增加，居里温度Tc单调下降并在x=0时达到最大值Tc=447℃； ⑨样品陶瓷的Td也是单调下降，在x=0时为426℃。