A_B位掺杂钛酸铋钠基无铅压电陶瓷的电致应变研究

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1、A/B位掺杂钛酸铋钠基无铅压电陶瓷的电致应变研究StudyofA/BDopingEffectsontheElectricalStrainofBNTbasedLead-FreePiezoelectricCeramics学科专业：材料学作者姓名：葛瑞芳指导教师：戴叶婧副教授天津大学材料科学与工程学院二零一七年十二月摘要本文选择钛酸铋钠(Bi0.5Na0.5TiO3，简称BNT)基陶瓷为研究对象，以Bi0.5Na0.5TiO3-Bi0.5K0.5TiO3和Bi0.5Na0.5TiO3-BaTiO3-K0.5Na0.5NbO

2、3为基础体系，利用传统固相法制备陶瓷样品，系统地研究A/B位掺杂离子的种类和含量对陶瓷相结构、电学性能的影响。研究了Li单掺杂A位对(Bi1-xLix)0.5(Na0.84K0.16)0.5TiO3(0.16BNKT-xLi)和(Bi1-xLix)0.5(Na0.8K0.2)0.5TiO3(0.2BNKT-xLi)(x=0、0.01、0.02、0.04)两种陶瓷体系的相结构和电学性能的影响。XRD结果表明，当Li+掺杂取代A位Bi3+后，陶瓷材料发生由三方四方共存相向伪立方相的转变。电滞回线表明随掺杂含量逐渐加大，材

3、料的饱和极化强度、剩余极化强度都有所降低，矫顽场略微增大，同时材料的正应变和负应变随之降低，表明低价Li的引入在一定程度上起到了使材料变“硬”的效果。为了抵消低价Li掺杂带来的电荷失衡，同时在B位引入Nb离子，形成A/B位复合掺杂(Bi1-xLix)0.5(Na0.84K0.16)0.5(Ti1-xNbx)O3(0.16BNKT-xLiNb)，在XRD结果中也发现了相转变过程，并且当x=0.05，材料发生铁电到弛豫相的转变，在单极电场下应变能达到最大0.38%@5.5kV/mm，其逆压电系数d*33达到690pm/V

4、，应变滞后值达到为69%。研究了B位Sb单掺杂和Al/Sb复合掺杂对Bi0.5(Na0.84K0.16)0.5Ti1-xSbxO3(0.16BNKT-xSb)和Bi0.5(Na0.84K0.16)0.5Ti1-x(Al0.5Sb0.5)xO3(0.16BNKT-xAlSb)相结构和电学性能的影响。XRD结果表明随着掺杂含量增加，材料均发生了相转变过程，变为伪立方相结构。电滞回线中，Sb的掺杂材料有从铁电相向顺电相转变的趋势，Al/Sb复合共掺降低了陶瓷的铁电有序性，发生铁电-弛豫相变过程。单掺Sb5+与Al3+/Sb

5、5+离子共掺对材料性能的影响相近，使材料的相转变温度降低至室温附近，当BNKT-xSb处在相转变温度时，其应变能达到最大0.30%@5.5kV/mm（d*33最大为545pm/V），而0.16BNKT-xAlSb能达到最大0.18%@5.5kV/mm（d*33最大为327pm/V）。研究了B位CuO掺杂对BNT-BT-KNN陶瓷相结构、形貌、电学性能的影响。结果表明，掺杂后材料处于三方和四方共存的准同型相界，CuO掺杂产生的液相在烧结过程中起到助烧作用，将烧结温度降低至950°C，降低了材料的铁电有序性，铁电弛豫相转

6、变温度TF-R从70°C降低至室温附近。掺杂后样品最大应变S*max=0.37%@5kV/mm，逆压电系数d33达到740pm/V。关键词：无铅压电陶瓷，BNT，掺杂方式，电致应变IIIABSTRACTInthispaper,thedopedBNTpiezoelectricceramicshavebeenobtainedbytraditionalsolidphasemethodandtheeffectsofdopantsonthephasestructure,piezoelectric,dielectric,ferr

7、oelectric,andA/BdopingeffectsontheelectricalstrainofBNTbasedlead-freepiezoelectricceramicswerestudied.TheeffectofLiionssubstitutiononphasestructure,piezoelectric,dielectric,ferroelectricfor(Bi1-xLix)0.5(Na0.84K0.16)0.5TiO3(0.16BNKT-xLi)and(Bi1-xLix)0.5(Na0.8K0.

8、2)0.5TiO3(0.2BNKT-xLi)(x=0、0.01、0.02、0.04)wasinvestigated.TheXRDpatternsconfirmedtheformationofpureperovskitestructure,whichindicatedthatthedopingironshavebeentotallyinthecr