PNN-BS-PT與BT-CT-BH三元壓電陶瓷的相結(jié)構(gòu)及性能研究.pdf

1、目前，BiScO3–PbTiO3及BaTiO3基鈣鈦礦型鐵電固溶體由于在準同型相界(Morphotropic Phase Boundary, MPB)附近的組分具有優(yōu)異的性能而備受人們關(guān)注。通常，控制材料的組織和結(jié)構(gòu)是尋找新壓電材料的一種有效方法。在尋求新壓電材料體系時，如果通過對相變行為的研究能夠獲得確定其MPB的方法，使其用來指導設計材料體系，在研究其性能機理的同時將會極大地降低實驗的成本及盲目性。本論文以Pb(Ni1/3Nb2/3

2、)O3–BiScO3–PbTiO3(PNN–BS–PT)與BaTiO3–CaTiO3–BaHfO3(BT–CT–BH或BCHT)為研究對象，結(jié)合相圖以提高電學性能的角度出發(fā)，系統(tǒng)研究了體系的相變行為，分析其介電、鐵電、壓電及其微觀機制。
　　BS-PT陶瓷體系的MPB組分具有優(yōu)異的壓電性能及較高的居里溫度，是一類出色的壓電陶瓷材料。本文首先針對PNN–BS–PT這種新的壓電陶瓷，選取xPNN–(1-x)(0.30BS–0.70PT

3、)陶瓷系列組分，發(fā)現(xiàn)其性能優(yōu)異的MPB組分位于兩個二元體系的MPB組分BS–0.64PT與PNN–0.36PT的連線附近。研究了陶瓷樣品的組成–結(jié)構(gòu)–性能之間的關(guān)系，證實x=0.34~0.36組分范圍為三方R-四方T相共存。在MPB組分處陶瓷具有優(yōu)異的性能，其壓電系數(shù)d33=490 pC/N，機電耦合系數(shù)kp=44％，電致應變Smax(%)=0.30%。相對于BS-PT二元體系MPB組分，PNN的加入降低了體系的居里溫度，但其壓電系數(shù)及

4、電致應變得到提高，同時三元系陶瓷燒成溫度范圍較寬更易于燒結(jié)。
　　對于無鉛壓電陶瓷體系，依據(jù)BH–BT和BT–CT兩個二元體系，采用固相反應法首先制備0.52Ba(Hf0.16Ti0.84)O3–0.48(Ba0.70Ca0.30)TiO3(簡寫為 BH0.16T–0.48BC0.30T)壓電陶瓷，探討了燒結(jié)溫度Ts對陶瓷微觀結(jié)構(gòu)及電性能的影響。使用CuO為燒結(jié)助劑對其進行摻雜改性，制備BCHT-xCu壓電陶瓷，并將Ts由1480

5、℃降低至1350℃。當CuO摻雜量為0.50 mol%時，d33由372 pC/N增加到461pC/N，kp由48.8%增加到53.7%，高于PZT-8的50%，使摻雜改性后的BT基陶瓷具有更高的壓電性能。
　　研究了(1-x)BaHf0.16Ti0.84 O3–xBa0.70Ca0.30TiO3壓電陶瓷的相結(jié)構(gòu)對介電、鐵電與壓電等性能的影響。對其相變行為及相變特性進行了分析，發(fā)現(xiàn)隨著x值的變化，相結(jié)構(gòu)在經(jīng)歷三方相R-相后從正交O

6、-相一側(cè)進入到O-T兩相共存的區(qū)域(x=0.48)，呈現(xiàn)出三種不同的介電相變行為，證實其優(yōu)異的壓電性能與O-T兩相共存有關(guān)。同時制備了(Ba0.90Ca0.10)(HfxTi1-x)O3不同組分陶瓷，根據(jù)經(jīng)驗參數(shù)（ΔTm，γ，?Trelax）分析其介電弛豫行為，證實不同組分的陶瓷分別表現(xiàn)為普通鐵電體、有彌散相變的鐵電體和弛豫鐵電體。
　　因為BaTiO3–CaTiO3–BaB’O3(B’=Zr, Hf, Sn)壓電陶瓷相變的復雜性

7、，選擇鉿、鈣不同的三種組分BH0.16T–xBC0.20T、BH0.16T–xBC0.30T、BH0.20T–xBC0.30T。通過對相結(jié)構(gòu)和電學性能的比較，分析其中間相O-相的變化及其對電性能的影響。利用介電性能測試結(jié)合XRD衍射技術(shù)確定三個不同的組分-溫度相圖，證實相圖中都存在一個O-相區(qū)域，明確了這一體系的高介電及壓電性能有著共同的主要起源，分析了導致高介電及壓電性能可能的物理機制。通過比較三元組分相圖，發(fā)現(xiàn)三種不同組分中O-T相