【摘要】：本文采用固相合成方法制備(1-2n)NBT-nKBT-nBT體系無鉛壓電陶瓷,以及Li~+、Mn~(2+)和Co~(3+)摻雜的NKBT4陶瓷,通過X-射線衍射測試分析確定了(1-2n)NBT-nKBT-nBT體系陶瓷的準(zhǔn)同型相界以及摻雜離子對NKBT4陶瓷相結(jié)構(gòu)的影響,所有樣品都進(jìn)行了壓電性能、變溫電滯回線和不同頻率下變溫介電性能測試,得到如下結(jié)論:(1)X-射線衍射分析得到(1-2n)NBT-nKBT-nBT體系陶瓷的三方相、四方相準(zhǔn)同型相界在n=0.04~0.08之間存在;Li~+、Mn~(2+)和Co~(3+)摻雜NKBT4陶瓷的XRD圖分析得出這三種離子并沒有改變NKBT4陶瓷的晶型結(jié)構(gòu)。(1-2n)NBT-nKBT-nBT陶瓷的SEM表明KBT和BT引入會減小NBT陶瓷的晶粒尺寸,Li~+、Mn~(2+)和Co~(3+)摻雜NKBT4陶瓷的SEM表明這三種離子引入會使NKBT4陶瓷的晶粒尺寸增加。(2)對(1-2n)NBT-nKBT-nBT陶瓷和NKBT4-xLi陶瓷的介電-溫度譜圖分析,發(fā)現(xiàn)陶瓷在升溫過程中存在兩個介電峰,一個介電損耗峰,并且存在鐵電相-反鐵電相-順電相的相變過程。(1-2n)NBT-nKBT-nBT陶瓷在n=0.06處得到室溫下最大的介電常數(shù)為1715,在n=0.04處得到室溫下最小的介電損耗為4.3%。NKBT4-yMn陶瓷和NKBT4-zCo陶瓷的介電-溫度譜圖表明在Mn~(2+)和Co~(3+)含量較低時陶瓷的介電溫譜有兩個介電反常峰,當(dāng)Mn~(2+)和Co~(3+)含量較高時只有一個介電峰。NKBT4-yMn陶瓷的最佳介電性能,在y=0.2 mol.%處得到室溫下最大的介電常數(shù)為1662,當(dāng)y=1.0 mol.%時獲得最小的介電損耗為2.4%;NKBT4-zCo陶瓷在z=1.0 mol.%時得到最小的介電損耗為1.48%。(3)利用修正的居里-外斯定律對本文中陶瓷樣品的介電常數(shù)進(jìn)行擬合,發(fā)現(xiàn)所有樣品的彌散系數(shù)都介于1和2之間,表示所有陶瓷都為弛豫型鐵電體。這主要是由于陶瓷是A位由多種離子共同取代的復(fù)合鈣鈦礦結(jié)構(gòu)鐵電體,在納米尺度上存在組分分布不均的情況,從而造成陶瓷具有弛豫的特征。(4)NKBT4-xLi陶瓷、NKBT4-yMn陶瓷和NKBT4-zCo陶瓷的變溫電滯回線表明,Li~+、Mn~(2+)和Co~(3+)都可以使NKBT4陶瓷在室溫下的剩余極化增強(qiáng),同時矯頑電場減小,其中Mn~(2+)對NKBT4陶瓷的鐵電性能影響最大,室溫下y=0.6mol.%時得到NKBT4-yMn體系陶瓷的最大剩余極化和最小矯頑電場,分別為P_r=48.93μC/cm~2和E_c=3.47 kV/mm。(5)(1-2n)NBT-nKBT-nBT陶瓷在n=0.08處獲得最大的壓電常數(shù)和機(jī)電耦合系數(shù),分別為146pC/N和26.5%,在n=0.04處具有最大的機(jī)械品質(zhì)因數(shù)為287。對Li~+、Mn~(2+)和Co~(3+)摻雜的NKBT4陶瓷的壓電性能分析表明,這三種離子都可以提高NKBT4陶瓷的壓電性能,這可能是由于小半徑的離子取代了陶瓷晶格中半徑較大的離子,使陶瓷的晶格發(fā)生畸變,電疇轉(zhuǎn)化更容易發(fā)生,因此會提高NKBT4陶瓷的剩余極化和壓電性能。
【圖文】：

在壓電材料的應(yīng)用市場中占主要市場份額的是鋯鈦酸鉛(PZT)基壓電陶瓷[4,5]，應(yīng)用的領(lǐng)域有如陶瓷過濾器、執(zhí)行器、超聲波電機(jī)、壓電傳感器、壓電馬達(dá)和醫(yī)學(xué)超聲波換能器[6-9]等。然而，PZT 中的主要原料氧化鉛(約為 70 %)在制備過程中鉛元素在高溫條件下燒結(jié)時會揮發(fā)，有毒元素鉛的泄露在人類和動物的體內(nèi)累積到一定的含量之后會造成死亡，對于環(huán)境來說主要是對空氣的污染以及在土地中沉積的大量有害物質(zhì)會間接地進(jìn)入到人類或動物的體內(nèi)，造成二次傷害，，因此研發(fā)出一種無毒無害且壓電性能可以與 PZT 基陶瓷相媲美的無鉛壓電材料來代替鉛基壓電陶瓷已經(jīng)成為研究領(lǐng)域里急需解決的重要課題之一[10]。1.1 壓電材料和鐵電材料概述1.1.1 壓電材料及其特點(diǎn)某些沒有對稱中心的晶體具有能夠使機(jī)械能與電能發(fā)生相互轉(zhuǎn)化的能力，這種能力被稱為壓電效應(yīng)，具有這一特性的材料被稱為壓電材料[11]。對于上述晶體可以用圖 1-1 來解釋這種效應(yīng)的產(chǎn)生。圖 1-1(a)為正壓電效應(yīng)產(chǎn)生的示意

鐵電體電滯回線圖
【學(xué)位授予單位】：武漢理工大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：TQ174.7

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本文編號：2593765