晶粒尺寸对细晶钛酸钡陶瓷介电、压电和铁电性能的影响

以采用水热法制备的BaTiO₃粉体作为原料, 利用普通烧结法和两步烧结法制备出晶粒尺寸为0.25~10.15 μm的BaTiO₃陶瓷, 研究了晶粒尺寸效应对BaTiO₃陶瓷的介电、压电以及铁电性能的影响。结果表明: BaTiO₃陶瓷的四方相含量随着陶瓷晶粒尺寸的增大而增加; 当晶粒尺寸在1 μm以上时, 室温相对介电常数(ε° )和压电系数(d₃₃)随着晶粒尺寸的减小而增大, 并在晶粒尺寸为1.12 μm时分别达到最大值5628和279 pC/N, 然后两者随着晶粒尺寸的进一步减小而迅速下降。BaTiO₃陶瓷的剩余极化强度P_r随晶粒尺寸的增大而提高, 而矫顽场E_c却呈现出相反的趋势。晶粒尺寸对介电性能和压电性能的影响是由于90°电畴尺寸和晶界数量的变化。晶粒的晶体场和晶粒表面钉扎作用的变化影响了电畴, 进而改变电滞回线。     

Bi过量以及冷却方式对BiFeO3-BaTiO3陶瓷的相结构及电学性能的影响

采用传统固相烧结法制备了0.7BiFeO₃-0.3BaTiO₃-xBi₂O₃(0≤x≤0.05)无铅压电陶瓷, 研究了Bi补偿量x和冷却方式对其相结构、微观形貌和综合电学性能的影响。结果表明：所有样品均为菱方相(R)和伪立方相(PC)两相共存, 0≤x≤0.01样品为纯的钙钛矿结构, 且x=0.01样品的两相比例C_R/C_PC接近1; x>0.01样品中出现富Bi杂相Bi₂₅FeO₄₀。与冷却方式相比, 优化Bi补偿量更有利于提升BFBT-xBi₂O₃陶瓷的压电性能。随着x增大, d₃₃先增大后减小, 在x=0.01时获得最优值。由于较小的晶粒、较合适的C_R/C_PC以及较大的残余应变, 水冷BFBT-0.01Bi₂O₃陶瓷获得了最优的压电性能(d_33水冷=141 pC/N、k_p=27%)和高T_C=507℃。研究结果表明, BFBT基陶瓷有希望成为兼具高压电性能和高T_C的无铅压电材料体系之一。     

织构化BaTiO3压电陶瓷材料的制备研究进展

BaTiO₃陶瓷作为一种无铅压电陶瓷有着广泛的应用前景,但常规方法制备的该类陶瓷压电性能通常不如铅基压电陶瓷。织构化是在不改变材料组分的前提下,提高压电陶瓷材料性能的重要手段。制备织构化的BaTiO₃压电陶瓷来取代铅基压电陶瓷,成为该领域近些年的研究热点之一。本文总结了BaTiO₃基压电陶瓷织构化制备技术的进展,其中除一些常见的制备技术外,还有近几年重新发展起来的电泳辅助技术以及新发展起来的电泳与强磁场辅助技术,主要介绍了这些制备技术制备织构化的BaTiO₃陶瓷的优劣,并对该领域的发展趋势进行了展望。     

CaxSr1-xBi2Nb2O9无铅压电陶瓷制备及其高温稳定性研究

采用传统固相法制备了Ca_xSr_1-xBi₂Nb₂O₉ (x=0、0.10、0.25、0.40)无铅压电陶瓷, 研究了Ca²⁺掺杂量对其微观结构、电学性能及其高温稳定性的影响。掺入Ca²⁺并未改变SrBi₂Nb₂O₉陶瓷的晶体结构; 随着Ca²⁺掺杂量的增加, 陶瓷晶粒由片状向长条状转变; 陶瓷的矫顽场(E_c)下降, 剩余极化强度(P_r)先增大后减小; 陶瓷的居里温度由450℃升高到672℃。当x=0.10时, 陶瓷具有较好的综合性能: 2P_r=14.8 μC/cm², d₃₃=22 pC/N, T_c=488℃; 当退火温度达到400℃时, 压电常数d₃₃仍达到20 pC/N, 说明该材料具有较好的温度稳定性, 可以在400℃的高温环境中应用。     

烧结方式对(K,Na,Li)(Nb,Sb,Ta)O3压电陶瓷的微观结构和物理性能的影响

(K,Na)NbO₃基陶瓷(KNLNST陶瓷)是一类很有发展潜力的无铅压电材料, 目前对其进行两步烧结相关的研究还很少。本工作分别采用普通烧结(Conventional Sintering, CS)和两步烧结(Two-step Sintering, TSS)制备了(K_0.4425Na_0.52Li_0.0375)(Nb_0.8825Sb_0.08Ta_0.0375)O₃陶瓷, 并进行微观结构与物性的对比研究。TSS可将(K,Na)NbO₃基陶瓷的相对密度ρ°由CS时的95.0%提高至97.0%, 压电系数d₃₃由CS时的363 pC/N增大到387 pC/N。两种烧结方式制备的KNLNST陶瓷的微观组织结构和电畴结构有着很大的差异。KNLNST-CS陶瓷的晶粒尺寸较小而且分布较为均匀, 极化后多数晶粒的电畴图案为简单的平行条纹。KNLNST-TSS陶瓷的晶粒尺寸则大小分布不均匀, 极化后许多大晶粒中呈现带状条纹内部又存在着精细的平行条纹的电畴图案。     

制备工艺对(Ba0.85Ca0.15)(Ti0.9Zr0.1)O3无铅压电陶瓷结构与性能的影响

采用液相混合与固相烧结相结合的方法制备了(Ba_0.85Ca_0.15)(Ti_0.9Zr_0.1)O₃ (BCTZ) 无铅压电陶瓷, 系统研究了烧结保温时间对其相结构、介电、压电和铁电性能的影响以及电学性能随温度的变化。研究结果表明: 制备的陶瓷样品具有单一的四方钙钛矿结构。当烧结温度为1540℃时, 随着保温时间的延长, 样品晶粒尺寸变大, 居里温度(T_c)升高, 压电性能提高, 电致伸缩性能下降。当保温时间为24 h时, BCTZ陶瓷综合性能最为优异: T_c ~90℃, tanδ < 0.05, k_p ~ 0.46, d₃₃ ~ 540 pC/N, P_s ~17 μC/cm²。陶瓷电学性能随温度变化测试结果又表明, BCTZ陶瓷的电学性能具有很强的温度依赖性, 随着温度的升高其电学性能逐渐下降。     

BiAlO3掺杂PZT陶瓷的高压电性能和低电场应变滞后

铅基压电陶瓷因其优异的压电性能, 被广泛应用于压电器件。其中, 压电驱动器要求压电陶瓷具有较高压电性能并且在电场下具有较高的电致应变和较小的应变滞后。本研究通过施主-受主共掺, 得到高压电性能和低电场应变滞后的PZT陶瓷。采用传统固相反应法制备了(1-x)(Pb_0.95Sr_0.05)(Zr₅₃Ti₄₇)O₃-xBiAlO₃+0.2%MnO₂陶瓷(掺杂量为质量百分数), 并对其微观结构和压电性能进行了研究。结果表明：BiAlO₃掺杂量较少时, 陶瓷中缺陷偶极子的“钉扎”效应使得陶瓷畴壁转动困难, 陶瓷压电性能较弱, 应变滞后也较小。随BiAlO₃掺杂量增加, 缺陷偶极子“钉扎”效应减弱, 陶瓷的压电性能和应变滞后随之提高。本实验得到的性能最优组分为x=1.75%, 该组份陶瓷的压电系数d₃₃=504 pC/N, 机电耦合系数k_p=0.71, 机械品质因数Q_m=281, 居里温度T_C=312 ℃, 在10 kV/cm电场下的应变滞后仅为15%, 并且还具有较好的温度稳定性, 是一种具有应用价值的压电驱动器用压电陶瓷材料。     

Ba(Ti0.96Sn0.04)O3陶瓷的物性研究

采用传统固相反应法制备了Ba(Ti_0.96Sn_0.04)O₃无铅压电陶瓷, 对其压电性能、介电性能、铁电性能和微观结构等进行了研究。研究发现, 原料以及制备工艺对Ba(Ti_0.96Sn_0.04)O₃陶瓷的压电性质具有较大的影响。与BaTiO₃陶瓷相比, Ba(Ti_0.96Sn_0.04)O₃陶瓷的正交-四方相变温度T_O-T得到了一定的提高, 并且T_O-T附近的热滞只有1.8℃。陶瓷的微观形貌呈现出较为复杂的畴结构, 主要以90°平行带状畴为主, 偶尔有少量不同构型的180°畴。电滞回线呈现为理想的近似矩形饱和形状的曲线, 剩余极化强度P_r为18.9 μC/cm², 矫顽场E_c为 2.5 kV/cm。此外, 非180°畴的翻转是引起陶瓷逆压电常数d₃₃^*的主要因素, 其值可达550 pm/V。     

(1-x)K0.48Na0.52NbO3-xBi0.45Nd0.05(Na0.92Li0.08)0.5ZrO3无铅压电陶瓷相结构及压电性能

为了在获得较高压电性能的同时又不大大降低陶瓷的居里温度(T_C), 设计和制备了Bi_0.45Nd_0.05(Na_0.92Li_0.08)_0.5ZrO₃改性的K_0.48Na_0.52NbO₃系无铅压电陶瓷((1-x)KNN-xBNNLZ), 研究了BNNLZ含量对KNN基无铅压电陶瓷相结构和电学性能的影响。研究结果表明, 所有陶瓷样品均具有较高的居里温度T_C(>300℃)。随着BNNLZ含量的增加, 陶瓷的正交-四方相变温度(T_O-T)不断向低温方向移动, 而三方-正交相变温度(T_R-O)不断向高温方向移动, 最终在陶瓷中形成了三方-四方(R-T)共存相, R-T共存相处于0.05<x<0.07范围。BNNLZ的加入引起陶瓷相结构的演化改变导致压电常数(d₃₃ )、介电常数(ε_r )、剩余极化强度 (P_r )和机电耦合系数(k_p )都先增大后减小, 当x=0.06时陶瓷具有最佳压电性能: d₃₃=313 pC/N, k_p=42%, P_r=25.48 μC/cm², ε_r=1353, tanδ=2.5%, T_C=327℃。     

过量Nb2O5对偏铌酸铅压电陶瓷烧结性能和电学性能的影响

采用传统的固相烧结法制备了组成为PbNb₂O₆-xmol%Nb₂O₅(x=0, 5, 10, 15, 20)的压电陶瓷样品, 研究了过量Nb₂O₅对PbNb₂O₆压电陶瓷烧结性能和电学性能的影响。研究结果表明, 过量Nb₂O₅能够在保证PbNb₂O₆高居里温度和明显各向异性的条件下改善其烧结性能和电学性能。这可能是因为过量Nb₂O₅导致PbNb₂O₆中Nb-O八面体的扭曲, 进而抑制PbNb₂O₆在烧结过程中的三方到四方相变。随着过量Nb₂O₅加入到PbNb₂O₆中, 其压电系数(d₃₃)和致密度都明显提高了, 并且在过量5mol% Nb₂O₅时达到最大值, 分别为69 pC/N和93.1%。     

0.94Na1/2Bi1/2TiO3-0.06BaTiO3:TiO2无铅复合陶瓷的结构及退极化温度研究

采用固相法将纳米TiO₂引入0.94Na_1/2Bi_1/2TiO₃-0.06BaTiO₃ (简称NBT-6BT)钙钛矿结构压电陶瓷晶界中, 成功制备出NBT-6BT: xTiO₂ (x=0, 0.05, 0.1, 0.2, 0.3) 0-3型复合结构陶瓷, 并系统地研究了掺杂TiO₂对陶瓷的结构及压电性能的影响。实验结果表明, 部分TiO₂进入晶格内部造成陶瓷单斜相Cc含量减少, 晶体对称性提高; 随着TiO₂的掺杂量的增加, 明显提高了NBT-6BT陶瓷的退极化温度。对NBT-6BT:0.1TiO₂样品, 在保持一定压电常数(69 pC/N)的前提下, 陶瓷的退极化温度相比纯NBT-6BT提升约88%, 此时介电损耗tanδ=0.044, 表明该材料是一种适用于更高温区间的新型无铅压电材料。     

Domain size dependence of d33 piezoelectric properties for barium titanate single crystals with engineered domain configurations

Engineered domain configuration was induced into barium titanate (BaTiO₃) single crystals, and the d₃₃ piezoelectricity was investigated as a function of domain size. First, for the BaTiO₃ single-domain crystals, piezoelectric constant d₃₃ along [1 1 1]_c direction was calculated as 224 pC/N. Prior to the domain engineering, the dependence of domain configuration on the temperature and the electric-field was investigated, and above Curie temperature (T_c), when the electric-field over 6 kV/cm was applied along [1 1 1]_c direction, the fine engineered domain configuration appeared. On the basis of the above information, the 33 resonators with different domain sizes were successfully prepared. Their piezoelectric measurement revealed that the d₃₃ of the 33 resonators with fine engineered domain configurations was higher than that of BaTiO₃ single-domain crystals. Moreover, d₃₃ increased with decreasing domain sizes. The highest d₃₃ of 289 pC/N was obtained in the BaTiO₃ crystal with a domain size of 13 μm.     

硬脂酸表面改性对PLZT压电陶瓷粉末注射成型性能的影响

以硬脂酸为粉末改性剂, 聚乙二醇/聚乙烯醇缩丁醛/聚甲醛(PEG/PVB/POM)为粘结剂体系制备锆钛酸铅镧(PLZT)粉末注射成形喂料, 并通过先水脱脂后烧结的工艺制备了PLZT压电陶瓷。研究了硬脂酸用量对粉末特性、喂料黏度、水脱脂率以及坯体强度的影响, 并对烧结后陶瓷的微观形貌与电性能进行对比与分析。结果表明：硬脂酸通过湿法改性成功包覆于PLZT粉体表面, 硬脂酸改性打破了粉末间的团聚, 且当硬脂酸包覆量为2wt%时, 喂料具有较低的剪切黏度及较高的坯体弯曲强度。但过量改性反而使得喂料黏度上升, 坯体弯曲强度下降。改性后的粉体在坯体内分散均匀, 烧结后的陶瓷晶粒生长完善, 具有更大的烧结致密度。与未改性的PLZT陶瓷相比, 在2 kV/mm极化电压下, 2wt%硬脂酸改性的PLZT的压电常数d₃₃由638 pC/N提高为682 pC/N。     

羟基磷灰石-钛酸钡仿人骨复合材料的制备及其性能

以HA粉和BT粉为原料,用烧结工艺制备羟基磷灰石-钛酸钡(HA-BT)仿人骨复合材料,使用D/max2200PCX光衍射仪、S4800场发射扫描电镜及其附带的X射线能谱仪、STA449F3同步热分析仪、1036PC万能材料试验机、LC2735准静态压电系数测量仪和ZJD-C型介电常数测试仪对其表征,研究BT含量和烧结温...     

High electrical properties of W-additive Mn-modified PZT–PMS–PZN ceramics for high power piezoelectric transformers

The ceramics were prepared successfully by the addition of WO₃ to the Mn-modified Pb(Zr_0.52Ti_0.48)O₃–Pb(Mn_1/3Sb_2/3)O₃–Pb(Zn_1/3Nb_2/3)O₃ (PZT–PMS–PZN) for high power piezoelectric transformers application. XRD analysis indicated that the ceramics were mainly composed of a tetragonal phase in the range of 0–1.0 wt.% WO₃ addition. The grain size of the ceramics significantly decreased from 10.0 to 2.9 μm by addition of WO₃. Moreover, the addition of WO₃ promoted densification of the ceramics and increased mechanical quality factor (Q_m), planar coupling factor (K_p) and piezoelectric constant (d₃₃) kept high values, whereas, dielectric loss (tan δ) was low. Δf (=f_a − f_r) slightly changed when WO₃ addition was above 0.5 wt.%. The ceramics with 0.6 wt.% WO₃ addition, sintered at 1150 °C showed the optimized piezoelectric and dielectric properties with Q_m of 1852, K_p of 0.58, d₃₃ of 243 pC/N and tan δ of 0.0050. The ceramics are promising candidates for high power piezoelectric transformers application.