铁酸铋—钛酸钡基高温无铅压电陶瓷电性能及高温稳定性研究

【摘要】高温压电材料被广泛应用于原子能、航空航天、汽车、冶金与石油化工等工业的振动与冲击测量。钙钛矿结构(1-x)BiFeO3-xBaTiO3[(1-x)BF-xBT]基无铅压电陶瓷具有优良的压电性能,兼有优异的高温稳定性,有望在高温压电传感器取得广泛应用。本论文系统研究了(1-x)BF-xBT基高温陶瓷的烧结工艺、组成、结构、电性能以及温度稳定性,同时探讨了其微观结构和高温电性能调控规律及机理。首先,系统研究了烧结工艺对(1-x)BF-xBT(x=0.20、0.25、0.275、0.30、0.325、0.35)陶瓷物相及晶体结构、显微组织、介电压电性能的影响规律,发现烧结温度对微观结构和电性能具有显著的影响,晶粒尺寸、相对密度、压电性能都随烧结温度的增加明显增加,达到最佳值后缓慢下降。由于(1-x)BF-xBT体系陶瓷中BF和BT两组元烧结温度差别很大,所以最佳烧结温度随组成变化很大,实验结果表明这一体系陶瓷最佳烧结温度随BT含量增加呈线性增加关系。系统研究了在最佳烧结温度下(1-x)BF-xBT体系陶瓷的组成、微观结构、电性能以及居里温度Tc和退极化温度Td,发现在0.275≤x≤0.30时存在三方、伪立方结构共存的准同型相界(MPB),在MPB的组成x=0.275由于极化各向异性最低,压电性能达到最大值：d33=136pC/N,kp=0.312。Tc和容忍因子t呈线性递减关系,三方相具有更好的热稳定性,在MPB的组成兼顾较好的温度稳定性(Tc=485℃,Td=420℃)。电场极化曲线表明,高温热稳定性机理是陶瓷内缺陷偶极子诱发的内偏场屏蔽自发极化,稳定宏观极化,提高压电性能的温度稳定性。选择MPB附近的组成0.71BF-0.29BT作为基体组元,采用变价元素Mn掺杂改性(简写为BFBT-Mnx%)。发现Mn掺杂兼具“软”“硬”掺杂的效果,降低介电损耗,提高压电性能,在Mn掺杂x=0.6%时,BFBT-Mnx%陶瓷具有最佳的压电性能d33=142pC/N,kp=0.308,Qm=56,介电损耗在x=0.9%时达最小值tgδ=3.16%。Bi过量对MPB附近组分0.71BF-0.29BT(BFBT-xBi)陶瓷的晶体结构没有明显影响,但是起到烧结助剂的作用,提高陶瓷的致密度及促进晶粒生长。适量Bi过量能改善压电性能,提高居里温度,在Bi过量0.04时压电性能达到最大值：d33=142pC/N,kp=0.302,居里温度Tc=450℃。Ti/Ba比x对BFBT-xTi陶瓷晶体结构和微观组织都有明显影响,Ti不足时增大三方结构晶格畸变度,压电常数d33、机电耦合系数kp随着x的增加先增加后减少,在Ti/Ba比x=0.99时压电性能达到最大值：d33=152pC/N,kp=0.301。退极化温度Td随x的增加一直降低,适量Ti不足有利于提高压电性能的温度稳定性。Cu掺杂明显增加了MPB组成0.71BF-0.29BT(BFBT-xCuO)陶瓷的晶格畸变度,是一种效果较好的烧结助剂,促进烧结和晶粒生长。BFBT-xCu陶瓷的矫顽场Ec、剩余极化Pr、压电常数d33、平面机电耦合系数kp以及极化相位角θmax随CuO掺杂量的增加先增加后降低,在x=0.4%时达到极值：Ec=35.0kV/cm,Pr=18.8μC/cm2,d33=166pC/N,kp=33.2%,同时具有较好的温度稳定性：Tc=450℃,Td=420℃。系统研究了Cu和Mn共掺杂(l-x)BF-xBT陶瓷的组成、结构、电性能及温度稳定性,共掺杂使该体系准同型相界的组成向高BT含量移动,在x=0.325形成了三方、伪立方结构共存的准同型相界(MPB)。Mn和Cu共掺杂能同时提高压电性能及温度稳定性,kp在x=0.325时达到极大值0.342,d33随着x的增加而单调增加,在x=0.35时达到极大值d33=170pC/N。Mn和Cu共掺杂陶瓷的居里温度Tc和退极化温度Td都明显增加,退极化温度Td随x的增加基本变化不大,都在500℃左右,具有非常优异的温度稳定性。
【作者】杨华斌；
【导师】刘心宇；
【作者基本信息】中南大学，电子信息材料与器件，2013，博士
【关键词】高温压电陶瓷；钙钛矿结构；退极化温度；无铅压电材料；准同型相界；

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