钛酸铋钠基无铅压电陶瓷的制备与改性研究

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1、国内图书分类号：TN304西北工业大学工程硕士专业学位论文钛酸铋钠基无铅压电陶瓷的制备与改性研究硕士研究生：郭昱辰导师：樊慧庆教授申请学位级别：工程硕士学科、专业：材料工程所在单位：材料学院答辩日期：2015年03月授予学位单位：西北工业大学Classifiedindex：TN304ThesissubmittedinpartialfulfillmentoftherequirementsforthedegreeofMasterofEngineeringFabricationandCompositonalTailoringofBismuthSodiumTitanateBa

2、sedLead-freePiezoelectricCeramicsMSCandidate：YuchenGuoAdvisor：ProfessorHuiqingFanDegreeAppliedfor：MasterofEngineeringSpecialty：MaterialsEngineeringSchool：SchoolofMaterialsScienceandEngineeringDateofOralDefence：March,2015UniversityConferringDegree：NorthwesternPolytechnicalUniversity摘要摘要钛

3、酸铋钠在室温下有良好的铁电性能，它是A位离子复合钙钛矿型铁电体，2并有相对较高的居里温度(320°C)和大的剩余极化强度38μC/cm，是一种具有良好发展前景的无铅压电陶瓷。因此，本文用传统固相烧结方法制备了钛酸铋钠基陶瓷，研究了不同掺杂类型对陶瓷的微观形貌及电学性能的影响，探讨了不同成分的陶瓷样品的介电弛豫特性和相变特性。首先，利用传统固相烧结方法制备出Bi0.5Na0.5Ti1-xMnxO3-δ(BNTM10000x,x=0,0.25%,0.5%,0.75%,1%,1.5%,2%)陶瓷。在室温下利用Rietveld方法对BNT和BNTM25陶瓷的晶体结构进行精修。

4、研究发现少量的氧空位以及显著增加的正方性和晶粒尺寸的变化使得MnO2的掺杂量为x=0.25%时Bi0.5Na0.5Ti1-xMnxO3-δ陶瓷的机电耦合性能以及电学性能都达到最优。过量的掺杂导致了氧空位的富集以及铁电弛豫相转变并进一步导致了电学性能的恶化。2BNTM25陶瓷的剩余极化强度Pr=48.5C/cm，机电耦合系数kp=0.18，电滞应变S33=0.24%，压电系数d33=105pC/N。除此之外，BNTM25陶瓷在室温下6经过10次极化后几乎没有显著疲劳，表明该组分无铅压电陶瓷材料具有潜在的应用。其次，为了研究不同掺杂类型对BNT基压电陶瓷的结构及性能的

5、影响，制备了Bi0.5Na0.5MnxTi1-xO3、Bi0.5Na0.5NbxTi1-xO3、Bi0.5Na0.5(Mn0.5Nb0.5)xTi1-xO3和BNT陶瓷。详细研究并分析了Mn受主掺杂、Nb施主掺杂以及二者共掺杂对4+3+BNT陶瓷晶体结构及电学性能的影响及原因。通过抑制TiTi的还原反应以及含高密度局域化电子的缺陷偶极子的形成，MnNb共掺杂的BNT陶瓷显著提高了材料的居里温度以及去极化温度。经极化后相比于BNT陶瓷其剩余极化强度及总应变均有提高。同时，Nb2O5掺杂略微提高了BNT陶瓷的抗疲劳特性，5MnCO3施主掺杂将BNT陶瓷的无疲劳极化次数提

6、高到10次，而二者共掺杂的6BNT陶瓷在疲劳极化10后无疲劳现象。最后，研究了三元(1−x)Bi0.5(Na0.9K0.1)0.5TiO3–xSrTi0.8Zr0.2O3(SZT1000x,x=0,0.2%,0.4%,0.6%,0.8%,1%)陶瓷。室温下测量的铁电P–E回线以及极化电流密度J–E曲线充分说明了加压过程中铁电畴以及纳米极性微区(PNRs)的变化。大的应变是因为在外电场为零时材料表现为非极性相，且在外电场下可以轻易地转变成长程铁电相，一旦外电场消失，系统又回复到未极化状态。为了研发出在较低的电场下具有大的应变的陶瓷材料，研究了不同组分和不同外加电场时应变

7、的变化。发现当SZT的掺杂量为0.6%mol时，外加电场为50kV/cmI西北工业大学工程硕士专业学位论文时应变为0.44%，Smax/Emax达到744pm/V。值得注意的是，该组分在外加电场仅仅为40kV/cm时就得到了相对较大的应变，此时Smax/Emax也达到了717pm/V，这意味着该材料有希望应用到压电驱动器上。关键词：钛酸铋钠基陶瓷；Rietveld精修；铁电性能；压电性能；抗疲劳特性；氧空位；电导率IIABSTRACTABSTRACTSodiumbismuthtitanateBi0.5Na0.5TiO3(BNT),whichhasst