Na0.5Bi0.5TiO3-BaTiO3陶瓷的介电和压电性能研究

研究了Na0.5Bi0.5TiO3和（Na0.5Bi0.5）0．94Ba0．06TiO3陶瓷的电滞回线，压电性能和热滞现象。得到（Na0.5Bi0.5）0．94Ba0．06TiO3陶瓷的剩余极化Pr=19μC/cm^2，矫顽场Ec=4.7kV/mm.发现有适量的Ba^2 取代（Na0.5Bi0.5)^2 尽管压电性能有所提高，但同时使得材料的温度稳定性大大降低。     

缺陷偶极子调控铅基钙钛矿压电陶瓷性能的研究进展

压电陶瓷作为一种可以实现机械能和电能之间相互转换的功能陶瓷材料,广泛应用于传感器、制动器、超声换能器、医学超声成像及发动机燃油喷射系统等领域.在压电陶瓷中,元素掺杂可以有效调控陶瓷的电学性能,伴随掺杂而产生的缺陷偶极子对压电陶瓷性能有着显著而独特的影响.因此研究缺陷偶极子对压电陶瓷性能的调控机理,有助于理解压电陶瓷诸多物理现象的内在成因,譬如老化、疲劳等.通过元素掺杂引入的氧空位会导致钙钛矿结构的压电陶瓷产生缺陷偶极子,而缺陷偶极子与自发极化之间的耦合效应会影响陶瓷的铁电响应行为,从而使得压电陶瓷出现束腰电滞回线和偏移电滞回线等特征.另外由于陶瓷中氧空位的扩散速率很低,使得缺陷偶极子极化方向趋于稳定,进而抑制极化旋转和限制畴壁运动,有助于提高压电陶瓷的机械品质因数.尽管有大量研究通过缺陷偶极子调控压电陶瓷的宏观性能使其能够满足不同的应用需求,然而由于压电陶瓷为多晶材料,其内部晶粒取向各异且存在复杂的铁电畴结构,压电陶瓷中缺陷偶极子在形成过程中的微观机理与其具体形态以及缺陷偶极子对压电陶瓷性能的具体作用机理仍有待深入研究.此外,压电陶瓷在高驱动场下的高功率特性对机电设备的实际设计具有重要意义,因此缺陷偶极子对压电陶瓷高功率特性的影响也值得关注.本文从氧空位诱导缺陷偶极子的形成及其表征手段、缺陷偶极子对铅基压电陶瓷电滞回线的影响和不同受主掺杂对铅基压电陶瓷机械品质因数的影响出发,论述了缺陷偶极子与压电陶瓷自发极化耦合效应引发的偏移和束腰奇异电滞回线特征,揭示了缺陷偶极子主要通过抑制极化旋转和限制畴壁运动提高机械品质因数的机理.然而关于缺陷偶极子的形态、与非四方相间的耦合关系以及缺陷偶极子对压电陶瓷高功率特性的影响等问题仍需进一步的研究.     

铁电和压电效应的电致疲劳综合建模研究

铁电材料具有良好的铁电、压电、热释电等特性,被广泛应用于超声和声纳传感器等众多领域。根据其铁电电畴结构及其极化反转特性,实验中常可测得两种特征回线,即铁电极化回线和压电蝴蝶回线。理论而言,单纯外电场强度影响下的特征回线应呈现规则对称形状,然而,由于一些不可避免的原因(如,电畴极化不稳定、缺陷密度及电致疲劳等),均使得以上回线逐步退化,进而呈现非对称非线性回线,无疑为此类智能材料的力-电建模问题增加了难度,限制了该材料在工程中的应用。由于铁电材料所制成的器件通常是在循环交变电场下服役,或在力、电、温度等多场下工作,于是场致疲劳已成为铁电器件应用的主要障碍。基于此,提出一类电致疲劳综合模型,充分考虑由于循环电场极化导致的材料疲劳现象,对铁电和压电特征曲线进行较为全面和精确地描述。最后,利用实验数据对所提模型进行了验证,结果表明其精确性和适应性均优于传统模型方法,具有很好的应用前景。     

压电材料中缺陷偶极子特性的研究进展

压电材料通过受主掺杂或烧结挥发等可以形成缺陷偶极子, 缺陷偶极子对材料的性能有显著的影响。本文综述了压电材料中缺陷偶极子的产生及其在外场下的响应机理, 同时, 从缺陷偶极子运动的角度分析了压电材料中老化、电滞回线异常及电致形状记忆效应等现象的起源, 简要分析了偶极子弛豫现象, 并对未来发展高可靠性压电驱动器的研究作了展望。     

Bi0.5Na0.5TiO3基A位多重复合无铅压电陶瓷的研制

针对钛酸铋钠(Bi0．5Na0．5TiO3)基复合钙钛矿压电铁电材料,发明了多种新的AB03型A位多重复合无铅压电陶瓷体系。这些新的无铅压电陶瓷具有压电铁电性能优良、铁电电滞回线矩形度高、压电铁电性能的温度特性好、工艺稳定性和重复性好等特点。所测得的一个体系(Bi0．5(Na1-x-yKxLiy)0．5TiO3)的d33达230pC／N,其kp达0．40,Pr达40μC/cm^2,矫顽场Ec则较低(小于4kV／mm);变温铁电电滞回线测试表明,在温度接近200℃时,该陶瓷还具有很好的铁电电滞回线。该体系无铅压电陶瓷性能优异,工艺性好,具有实用性。     

钛酸铅—环氧树脂压电复合材料的极化及压电性能研究

对钛酸铅／环氧树脂复合压电材料的极化性能进行了研究。结果表明,较高的极化电场强度和较高的极化温度均有利于压电复合材料压电性能的提高,但超过一定值时,材料会达到饱和极化状态,压电变常趋于稳定。     

铌锌酸铅基陶瓷的电致伸缩特性与极化机制

系统地测度了铌锌酸铅基系列陶瓷ＰＺＮ－ＢＴ－ＰＴ（８５－１０－５，８０－１０，７５－１０－１５）的电致伸缩应变，电滞回线和介电性能，研究了它们的电诱应变同极化强度关系。     

压电陶瓷的极化反转过程

利用阻抗分析仪和重复迭代法，对Ｐｂ（Ｍｇ１／３Ｎｂ２／３）０．１２５Ｔｉ０．４２Ｚｒ０．４５５Ｏ３压电陶瓷的极化反转过程进行了研究。实验数据显示出了铁电畴随电场变化的整个开关过程，发现极化反转前后压电性有着明显的不对称性，这一异常现象是和场诱应变、电滞回线数所相互对应的。经比较研究后认为，影响极化反转前后压电对称性的机理是空间电荷在晶粒表面积聚形成内偏置电场，由此建立的理论模型可以作出合理的解释。     

电场对（Ba0.90Ca0.10）TiO3陶瓷铁电性的影响

采用溶胶-凝胶方法制备了（Ba0.90Ca0.10）TiO3陶瓷,在电场1.5～20kV/cm下,在频率为0.01～10Hz范围内,对其电滞回线进行了分析。实验结果表明（Ba0.90Ca0.10）TiO3陶瓷的电滞回线随电场值和频率的变化明显,在低电场下,随着频率的增加矫顽场（Ec）单调减小,在低频下剩余极化（Pr）增加;而在高电场下,随着频率的增加Ec单调增大,电滞回线达到饱和时,电滞回线随不同测试频率无明显变化。     

发射型PZT压电陶瓷的应变及性能

测量了几种发射型 PZT 压电陶瓷的电场应变曲线和电滞回线,探讨了它们与性能间的关系。认为 PZT陶瓷的应变量是一个与剩余极化量同样重要的用来衡量材料压电性能的基本参数。PZT 压电陶瓷的应变由两部分组成:低场强下的应变由畴的转向形成,高场强下的应变则是以畴伸缩产生的应变为主。单位场强的畴伸缩应变量与准静态压电系数 d_(33)值相当。     

铌酸钠钾基压电陶瓷的结构与性能研究

采用传统的固相反应合成法制备了结构较为致密的0.9(K0.5Na0.5)NbO3-0.1LiSbO3(KNN-LS)无铅压电陶瓷,研究了其相结构、压电、介电、损耗以及铁电性质.常温下的压电陶瓷具备四方钙钛矿结构,具有较高的压电系数d33=131pC/N和低的介电损耗tanδ=0.09(10kHz)等优点.另外,常温下的KNN-LS陶瓷存在着较为饱满的电滞回线,其剩余极化率Pr为16.1μC/cm2,矫顽场为EC=14.8kV/cm.性能较KNN压电陶瓷有了较大的提高.     

(Na0.8K0.2)0.5Bi0.5TiO3陶瓷的介电压电性能

研究了(Na0.8K0.2)0.5Bi0.5TiO3陶瓷的介电和压电性能,发现陶瓷从室温到500℃温度范围的介电谱中存在两个介电峰,电滞回线显示第一个介电峰由铁电-反铁电相变引起的,温度继续升高,反铁电相由宏畴变为微畴,微畴向顺电相转变导致了第二个介电峰,该峰对应的相变为弥散型相变.室温下陶瓷具有较高的剩余极化强度Pr=29.4μC/cm2和相对低的矫顽电场Ec=2.8kV/mm,极化后的陶瓷显示出较高的压电常数d33=120pC/N和机电耦合系数Kp=28.5%,以及高的频率常数Nφ=2916Hz.m,120℃具有最小的谐振频率温度系数.     

氟取代PMN-PT陶瓷的制备与性能研究

以PbF2为氟源,采用半化学法成功制备了钙钛矿相的F取代PMN-PT陶瓷。随F含量增加,陶瓷的体积密度增大。与含F试样相比,无F试样的晶粒较大,约10μm,介电常数峰和介电损耗峰都很尖锐,而且峰值介电常数异常高,约45000,其电滞回线矩形度高,剩余极化强度高,约30μC/cm^2,其压电常数较高,约420 pC/N;但在含F试样中,含摩尔分数2%F试样具有较好的显微结构、介电和压电性能。其晶粒约2～3μm,峰值介电常数约30000,剩余极化强度接近30μC/cm^2,压电常数约380 pC/N。     

Bi3NbTiO9的结构与电学性能

用传统固相法成功制备出了致密的、相对密度超过95％的BiaNbTiO9(BNT)压电陶瓷；采用XRD和SEM对陶瓷的结构和晶粒形貌进行了表征；测出了BNT陶瓷在居里温度点附近的介电特性，同时确定了该陶瓷的居里温度Tc为914℃。电滞回线的测试显示了该材料典型的硬铁电性，经过高温极化，测出材料的压电常数d33=7pC／N。     

电场对(Ba0.97Ca0.03)(Ti0.82Zr0.18)O3无铅压电陶瓷铁电性的影响

采用溶胶-凝胶方法制备了(Ba0.97Ca0.03)(Ti0.82Zr0.18)O3无铅压电陶瓷。在电场1～8kV/cm下,频率为0.01～10Hz范围内,对其电滞回线进行了分析。实验结果表明(Ba0.97Ca0.03)(Ti0.82Zr0.18)O3陶瓷的电滞回线随电场值和频率的变化明显,在低电场下,随着频率的增加矫顽场(Ec)单调减小,在低频下剩余极化(Pr)增加;而在高电场下,随着频率的增加Ec单调增大,电滞回线达到饱和时,电滞回线随不同测试频率无明显变化。     

{110}cub切型Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-PbTiO3单晶铁电相变的研究

测试了PMNT68／32{110}cub切型单晶的介电、压电性能和电滞回线，发现单晶铁电性能与所施加的极化电场及单晶中PbTiO3含量的变化密切相关。研究结果表明，相结构的变化是引起铁电性能变化的主要原因，即在＜110＞取向施加电场诱导出来的正交相是本征亚稳的，它的稳定性不仅取决于所施加的极化电场大小，而且与单晶中PbTiO3含量的变化密切相关。     

流延成型制备(Na0.85K0.15)0.5Bi0.5TiO3陶瓷的显微结构及性能

采用流延成型工艺制备了（Na0.85K0.15）0．5Bi0.5TiO3无铅压电陶瓷，研究了陶瓷退火前后的显微组织结构，结果表明陶瓷主晶相为钙钛矿相结构，并伴随有形貌呈针状的第二相K2Ti6O13出现；陶瓷断面和表面的晶粒形貌有差别，采用退火处理无法消除第二相K2Ti6O13，但可有效改善陶瓷断面的晶粒形貌，同时增大材料的矫顽场，并使剩余极化强度（Pr）、压电常数（d33）、介电常数（ε）与介电损耗（tanδ）变小．（Na0.85K0.15）0.5Bi0．5TiO3无铅压电陶瓷的电滞回线表现出明显铁电体的特征，其矫顽场为2680V／mm，Pr达36．6μC／cm^2，d33达113pC／N，‰为0．27，Qm达154．     

Bi3NbTiO9的结构与电学性能

用传统固相法成功制备出了致密的、相对密度超过95％的Bi₃NbTiO₉(BNT)压电陶瓷;采用XRD和SEM对陶瓷的结构和晶粒形貌进行了表征;测出了BNT陶瓷在居里温度点附近的介电特性,同时确定了该陶瓷的居里温度T_c为914℃电滞回线的测试显示了该材料典型的硬铁电性,经过高温极化,测出材料的压电常数d₃₃=7pC/N.     

{110}cub切型Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-PbTiO3单晶铁电相变的研究

测试了PMNT68/32{110}_cub切型单晶的介电、压电性能和电滞回线,发现单晶铁电性能与所施加的极化电场及单晶中PbTiO3含量的变化密切相关.研究结果表明,相结构的变化是引起铁电性能变化的主要原因,即在<110>取向施加电场诱导出来的正交相是本征亚稳的,它的稳定性不仅取决于所施加的极化电场大小,而且与单晶中PbTiO₃含量的变化密切相关.     

准同型相界(MPB)附近BS-PT高温压电陶瓷研究

（1-x）BiScO3-xPbTiO3陶瓷（简记BS-PT）在x=64．0％附近存在一个从菱方晶系过渡到四方晶系的准同型相界，在此相界附近材料能获得优良的介电和压电性能．本文选取PbTiO3含量在64．0％-65．5％的准同型相界附近的材料组分，利用传统的固相烧结反应法合成了纯钙钛矿相结构的BS—PT陶瓷，通过对材料的相结构形成过程和内部形貌分析以及对介电、压电性能的研究，发现在x=64．5％的组分条件下，BS—PT陶瓷材料获得了准同型相界范围内的最优的压电性能，其室温压电常数d33可达500pC／N，且居里温度（Tc）达到了438℃，剩余极化强度和电致应变分别为44μC／cm^2和3．5‰．研究表明，准同型相界附近的BS-PT陶瓷是一种优良的压电换能器和传感器材料．