【摘要】：近年來(lái),Ba(Ti1-xSnx)O3(BTSx)基無(wú)鉛陶瓷以其優(yōu)異的壓電、介電和鐵電性能,成為最有潛力取代鉛基陶瓷的無(wú)鉛體系之一,有望在壓電致動(dòng)器、鐵電隨機(jī)存儲(chǔ)器、多層壓電器件和電容器等領(lǐng)域獲得廣泛的應(yīng)用。此外,據(jù)報(bào)道BTSx基陶瓷通過(guò)離子摻雜與PZT基陶瓷相比具有競(jìng)爭(zhēng)性壓電性。因此本文設(shè)計(jì)了 Ba(Ti0.92Sn0.08)O3(BTS0.08)為基本組元,采用傳統(tǒng)電子陶瓷固相合成工藝分別制備了 A位Ca單摻雜、A位Li-Al及Li-Nb共摻雜BTS0.08無(wú)鉛壓電陶瓷來(lái)提高陶瓷的電性能。通過(guò)XRD、SEM、ROMAN等測(cè)試分析技術(shù),系統(tǒng)的研究了 A位摻雜對(duì)BTS0.08無(wú)鉛壓電陶瓷體系微觀形貌、相結(jié)構(gòu)、介電性能、壓電性能、鐵電性能、電致伸縮效應(yīng)以及介電可調(diào)性能的影響。(1)A位Ca單摻雜Ba1-xCax(Ti0.92Sn0.08)O3-0.5%Mn02(BCxTS0.08-M)陶瓷:通過(guò)常規(guī)固態(tài)反應(yīng)方法制備具有組成(x=0.01、0.03、0.05、0.07、0.09)的體系。X射線衍射、拉曼衍射和鐵電相圖證實(shí)了室溫下陶瓷由正交相(x≤0.03)向正交相和四方相共存(x=0.05)過(guò)渡再轉(zhuǎn)變?yōu)樗姆较?x≥0.07)。Ca適量摻雜使BCxTS0.08-M陶瓷的弛豫性逐漸降低,樣品的退極化溫度幾乎沒(méi)有變化表明陶瓷良好的溫度穩(wěn)定性。BCxTS0.08-M陶瓷的壓電系數(shù)d33、平面機(jī)電耦合系數(shù)kp、單極應(yīng)變Smax、逆壓電系數(shù)d33*和偏場(chǎng)壓電常數(shù)d33max均在x=0.05取得最佳值:d33=700pC/N,kp=0.497,Smax=0.054%@ 5kV/cm,d33*=1084pm/V@5kV/cm、d33max=1565 pm/V。這些結(jié)果表明低能壘對(duì)于疇極化翻轉(zhuǎn)和延伸在正交-四方(O-T)兩相共存區(qū)有利于提高壓電性能。(2)A位Li-Al共摻雜Ba1-2xLixAlx(Ti0.92Sn0.08)O3-0.5%MnO2(BLxAxTS0.08-M)陶瓷:通過(guò)常規(guī)固態(tài)反應(yīng)方法制備具有組成(x=0、0.5%、1.0%、1.5%、2.0%、2.5%)的體系。適量Li-Al摻雜增加了BLxAxTS0.08-M陶瓷的相對(duì)密度,但平均晶粒尺寸逐漸降低,通過(guò)X射線衍射和鐵電相圖證實(shí)了室溫下成分(x=0-2.5%)為正交相。另外也可以通過(guò)調(diào)節(jié)小信號(hào)電壓來(lái)獲得最佳的偏場(chǎng)壓電系數(shù)d33max和可觀的介電可調(diào)效率ηr。BLxAxTS0.08-M陶瓷的壓電系數(shù)d33、平面機(jī)電耦合系數(shù)kp、剩余極化強(qiáng)度Pr、單極應(yīng)變Smax、逆壓電系數(shù)d33*、偏場(chǎng)壓電系數(shù)d33max、介電可調(diào)效率ηr、品質(zhì)因數(shù)FOM均在x=0.5%取得最佳值:d33= 620pC/N、kp=0.457、Smax=0.068%@5kV/cm、Pr=12.63μC/cm2、d33*=1360pm/V@ 5kV/cm、d33max=1003 pm/V、ηr= 96.91%、FOM=19.38。此外,在成分x=0.5%中也觀察到具有良好的電致伸縮效應(yīng),并且大的電致伸縮系數(shù)Q33=0.034m4C-2在25℃～90℃溫度范圍內(nèi)顯示出優(yōu)異的溫度穩(wěn)定性。(3)A位Li-Nb共摻雜Ba1-2xLiNb.x(Ti0.92Sn0.08)O3-0.5%MnO2(BLxNxTS0.08-M)陶瓷:通過(guò)常規(guī)固態(tài)反應(yīng)方法制備具有組成(x=0、0.25%、0.50%、0.75%、1.20%)的體系。適量Li-Nb摻雜降低了BLxNxTS0.08-M陶瓷的平均晶粒尺寸,但相對(duì)密度和弛豫性略有增加,通過(guò)x射線衍射和鐵電相圖證實(shí)了室溫下成分(x=0-1.20%)為正交相。BLxNxTS0.08-M陶瓷的壓電系數(shù)d33、平面機(jī)電耦合系數(shù)kp、剩余極化強(qiáng)度Pr、單極應(yīng)變Smax和逆壓電系數(shù)d33*、偏場(chǎng)壓電系數(shù)d33max均在x=0.50%取得最佳值:d33=805pC/N、kp=0.519、Pr= 12.60μC/cm2、Smax=13%@ 30kV/cm、d33*=433 pm/V@30kV/cm、d33max=1620 pm/V。此外,在成分x=0.50%中也觀察到具有良好的電致伸縮效應(yīng),并且大的電致伸縮系數(shù)O33=0.0355m4C-2在25℃～90℃溫度范圍內(nèi)顯示出優(yōu)異的溫度穩(wěn)定性。
【學(xué)位授予單位】：桂林電子科技大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號(hào)】：TM282
【圖文】：

§1.3 鈣鈦礦壓電陶瓷材料的特點(diǎn)和分類眾所周知，壓電陶瓷材料的結(jié)構(gòu)多種多樣，其中以鈣鈦礦結(jié)構(gòu)壓電陶瓷最為常見[15,16]。由于鈣鈦礦結(jié)構(gòu)壓電陶瓷材料廣泛應(yīng)用于各行各業(yè)，因此本文對(duì)鈣鈦礦體系結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、種類作簡(jiǎn)單的梳理。目前研究最熱的壓電材料當(dāng)屬具有鈣鈦礦結(jié)構(gòu)（perovskite structure）的壓電陶瓷材料，通常表示為 ABO3。該體系結(jié)構(gòu)最吸引人的地方就是在 A/B 位可以使周期表上的多數(shù)元素組合形成具有不同特性的鈣鈦礦化合物[17]。理想型立方鈣鈦礦結(jié)構(gòu)示意圖如圖 1-1 所示，A 位陽(yáng)離子占據(jù)鈣鈦礦結(jié)構(gòu)的頂角位置、B 位相對(duì)較小陽(yáng)離子占據(jù)體心位置、負(fù)二價(jià)氧離子占據(jù)面心位置。我們所說(shuō)的氧八面體是由 B 位陽(yáng)離子與相鄰周圍的氧離子構(gòu)成的，并且 A 位陽(yáng)離子則占據(jù)在氧八面體空隙位置[18]。眾所周知，立方鈣鈦礦結(jié)構(gòu)容易發(fā)生晶格畸變是由于內(nèi)部不穩(wěn)定造成的，通常發(fā)生晶格畸變的是B 位陽(yáng)離子偏離立方體心和氧八面體旋轉(zhuǎn)從而導(dǎo)致該結(jié)構(gòu)的電學(xué)性能發(fā)生改變。鈣鈦礦結(jié)構(gòu)晶格畸變?nèi)?1-2 示意圖所示，A/B 位離子由起始位置偏離從而導(dǎo)致氧八面體旋轉(zhuǎn)而產(chǎn)生形式各異的空間群結(jié)構(gòu) (a-a-a-、a0a0a0和 a-a-c+[19])。

§1.3 鈣鈦礦壓電陶瓷材料的特點(diǎn)和分類眾所周知，壓電陶瓷材料的結(jié)構(gòu)多種多樣，其中以鈣鈦礦結(jié)構(gòu)壓電陶瓷最為常見[15,16]。由于鈣鈦礦結(jié)構(gòu)壓電陶瓷材料廣泛應(yīng)用于各行各業(yè)，因此本文對(duì)鈣鈦礦體系結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、種類作簡(jiǎn)單的梳理。目前研究最熱的壓電材料當(dāng)屬具有鈣鈦礦結(jié)構(gòu)（perovskite structure）的壓電陶瓷材料，通常表示為 ABO3。該體系結(jié)構(gòu)最吸引人的地方就是在 A/B 位可以使周期表上的多數(shù)元素組合形成具有不同特性的鈣鈦礦化合物[17]。理想型立方鈣鈦礦結(jié)構(gòu)示意圖如圖 1-1 所示，A 位陽(yáng)離子占據(jù)鈣鈦礦結(jié)構(gòu)的頂角位置、B 位相對(duì)較小陽(yáng)離子占據(jù)體心位置、負(fù)二價(jià)氧離子占據(jù)面心位置。我們所說(shuō)的氧八面體是由 B 位陽(yáng)離子與相鄰周圍的氧離子構(gòu)成的，并且 A 位陽(yáng)離子則占據(jù)在氧八面體空隙位置[18]。眾所周知，立方鈣鈦礦結(jié)構(gòu)容易發(fā)生晶格畸變是由于內(nèi)部不穩(wěn)定造成的，通常發(fā)生晶格畸變的是B 位陽(yáng)離子偏離立方體心和氧八面體旋轉(zhuǎn)從而導(dǎo)致該結(jié)構(gòu)的電學(xué)性能發(fā)生改變。鈣鈦礦結(jié)構(gòu)晶格畸變?nèi)?1-2 示意圖所示，A/B 位離子由起始位置偏離從而導(dǎo)致氧八面體旋轉(zhuǎn)而產(chǎn)生形式各異的空間群結(jié)構(gòu) (a-a-a-、a0a0a0和 a-a-c+[19])。

基壓電陶瓷鈦酸鉍鈉 (BNT) 自從 1960 年被 Smolensky 等人發(fā)現(xiàn)到現(xiàn)在被人們稱為相變過(guò)程最為復(fù)雜的鈣鈦礦鐵電體，鈦酸鉍鈉在升溫過(guò)程中會(huì)發(fā)生復(fù)雜的相變?nèi)鐖D1-3所示，

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2780209