高性能BCTZ基无铅压电陶瓷的改性与机理研究

【摘要】摘要：基于(Ba0.85Ca0.15)(Ti0.90Zr0.1)O3(BCTZ)钙钛矿型无铅压电陶瓷具有压电常数高、介电常数大、损耗小、制备与废弃处理对环境污染低等优点,并根据其目前存在烧结温度高、居里温度低等问题。本文首先采用Ag2O,MnO2掺杂改性BCTZ基体,研究对陶瓷烧结特性的影响；其次采用In2O3,Ga2O3,Sb2O3掺杂改性BCTZ基体,研究对陶瓷的晶粒生长规律的影响；之后采用BiAlO3,BiYbO3,Ba(Cu0.5W0.5)O3复合取代BCTZ基体,研究对陶瓷居里温度的影响规律；根据前面的研究结果,采用In2O3,Ga2O3,Ba(Cu0.5W0.5)O3掺杂(复合)(Ba0.85Ca0.15)(Ti0.90Zr0.1)O3(BCTZ99)基体,研究对陶瓷的晶粒及居里温度的影响规律；最后对比分析了In2O3,Ga2O3,Ba(Cu0.5W0.5)O3对BCTZ和BCTZ99基体的影响和作用机理。本文研究的主要内容如下：系统研究了BCTZ-Ag,BCTZ-Mn体系陶瓷的组成与相结构、显微组织、密度及电性能的影响关系,并对比分析了Ag2O,MnO2对BCTZ陶瓷的影响规律。XRD表明：BCTZ-Ag陶瓷的MPB在x=0.1附近；BCTZ-Mn陶瓷的MPB在0.06≤x≤0.10内。陶瓷的最佳性能为：BCTZ-Ag陶瓷x=0.08时,d33=616pC/N,kp=58.1%,r=5.6Ω,tanδ=0.63%;BCTZ-Mn陶瓷x=0.08时,d33=495pC/N,kp=49.6%,tanδ=1.58%,Pr=10.9μC/cm2。对比发现：BCTZ-0.08%Ag陶瓷的晶粒尺寸为50-90μm,远大于BCTZ-0.08%Mn陶瓷的30-40μm。系统研究了BCTZ-In,BCTZ-Ga,BCTZ-Sb体系陶瓷的组成与相结构、显微晶相组织、密度及电性能的影响关系,探讨陶瓷相变与铁电温谱的关系,并对比分析了In2O3,Ga2O3,Sb2O3对BCTZ陶瓷晶粒生长的影响规律。SEM表明：BCTZ-In陶瓷呈现小晶粒长大数量逐渐增多；BCTZ-Ga陶瓷的晶粒逐渐长大；BCTZ-Sb陶瓷的晶粒均匀长大。陶瓷的最佳性能为：BCTZ-In陶瓷x=0.08时,d33=605pC/N,kp=57.7%,r=6.8Ω,tanδ=1.56%,Pr=11.1μC/cm2;BCTZ-Ga陶瓷x=0.10时,d33=705pC/N,kp=61%,r=5.2Ω,tanδ=1.75%,Pr=11.3μC/cm2;BCTZ-Sb陶瓷x=0.1时,d33=556pC/N,kp=52%,r=5.2Ω,tanδ=1.3%,Pr=12.6μC/cm2。铁电温谱表明：BCTZ-0.1%Ga陶瓷的TR-T相变在25-40℃内；BCTZ-0.1%Sb陶瓷在-60-20℃内Pr达到饱和为15μC/cm2,TR-T相变在20-40℃内。比较BCTZ-In,BCTZ-Ga,BCTZ-Sb,BCTZ陶瓷发现,最大晶粒尺寸分别80μm,50μm,15μm,5μm。系统研究了BCTZ-BA,BCTZ-BY,BCTZ-BCW体系陶瓷的组成与相结构、显微组织及电性能的影响关系,探讨陶瓷相变与铁电温谱的关系,并对比分析了BiAlO3,BiYbO3,Ba(Cu0.5W0.5)O3对BCTZ陶瓷居里温度的影响规律。结果表明：BCTZ-BA和BCTZ-BY陶瓷的Tc向低温移动；BCTZ-BCW陶瓷的Tc向高温推移,并在0.05%≤<x≤0.30%内存在MPB；陶瓷的最佳性能为：BCTZ-BA陶瓷x=0.1%时,d33=536pC/N,kp=55.6%,tanδ=1.26%,Pr=10.8μC/cm2;BCTZ-BY陶瓷x=0.1%时,d33=580pC/N,kp=56.4%,r=10.9Ω,tanδ=1.12%,Pr=12.18μC/cm2;BCTZ-BCW陶瓷x=0.1%时,d33=555pC/N,kp=55.3%,r=8.6Ω,tanδ=1.2%,Pr=11.0μC/cm2。铁电温谱表明：BCTZ-0.1%BA陶瓷在-50℃时Pr达到饱和,TRT相变在30-40℃内；BCTZ-0.1%BY陶瓷在-60-20℃内Pr呈线性下降,TR-T相变在20-40℃内；BCTZ-0.1%BA,BCTZ-0.1%BY,BCTZ-0.1%BCW陶瓷的Tc变化依次为：Tc-BCW>Tc-BY＞Tc-BA。系统研究了BCTZ99-Ga,BCTZ99-In,BCTZ99-BCW体系陶瓷的组成与相结构、显微组织及电性能的影响关系,探讨陶瓷相变与铁电温谱的关系。结果表明：BCTZ99-In陶瓷的PPT相变在0.04≤x≤0.06内,晶粒均匀长大,Tc稍微降低；BCTZ99-Ga陶瓷的晶粒长大,Tc向高温推移；BCTZ99-BCW陶瓷的MPB在0.05%≤x≤0.20%内,晶粒均匀长大,Tc提高到127℃。陶瓷的最佳性能为：BCTZ99-In陶瓷x=0.06时,d33=507pC/N,kp=49.8%,tanδ=1.35%,Pr=14.9μC/cm2;BCTZ99-Ga陶瓷x=0.08时,d33=440pC/N,kp=56%,r=7.6Ω,Pr=15.3μC/cm2;BCTZ99-BCW陶瓷x=0.1%时,d33=300pC/N,kp=30%,tanδ=1.6%,Pr=14.8μC/cm2。铁电温谱表明：BCTZ99-0.08%Ga陶瓷的To-T相变在20-40℃内。对比研究了BCTZ与BCTZ99,BCTZ-0.08%In与BCTZ99-0.06%In,BCTZ-0.1%Ga与BCTZ99-0.08%Ga,BCTZ-0.1%BCW与BCTZ99-0.1%BCW陶瓷的εr-f关系,tanδ-f关系,θ-f关系,Z-f关系,介电弥散相变和压电性能的退极化规律。结果表明：BCTZ-0.08%In和BCTZ99-0.06%In陶瓷在40-10MHz内均呈现低的tanδ,均属于硬性掺杂,增强并稳定了压电性能；BCTZ99-0.06%In陶瓷呈现弥散相变特征。BCTZ-0.1%Ga和BCTZ99-0.08%Ga陶瓷在40-10MHz内均呈现低的tanδ和较高的εr,且均属于硬性掺杂,增强并稳定了压电性能；BCTZ99-0.08%Ga陶瓷呈现弥散相变特征。BCTZ99-0.1%BCW陶瓷主要表现出硬性掺杂,增强了温度稳定性,但压电性能降低；BCTZ-0.1%BCW陶瓷主要表现出软性掺杂,降低了压电性能和温度稳定性；BCTZ-0.1%BCW和BCTZ99-0.1%BCW陶瓷均呈现弥散相变特征。
【作者】马家峰；
【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】锆钛酸钡钙；无铅压电陶瓷；钙钛矿结构；掺杂；压电性能；铁电性能；

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