Na_(0.5)Bi_(0.5)TiO_3-K_(0.5)Bi_(0.5)TiO_3系富钠区陶瓷固溶体的电物理性能研究

本工作对xNa_(0.5)Bi_(0.5)TiO_3-(1-x)K_(0.5)Bi_(0.5)TiO_3系(0.73≤x≤0.95)陶瓷固溶体的压电、铁电性质进行了研究。发现准同型相界位于x=0.81处;在相界,压电参数出现极值。在该系统中,获得了高厚度机电耦合系数、高频率常数、低平面机电耦合系数、低相对介电常数的超声换能器材料。该材料还具有无公害,不需密封烧结等工艺优点。     

Na_(0.5)Bi_(0.5)TiO_3陶瓷介电性能的实验研究

采用柠檬酸盐-自燃烧法制备Na0.5Bi0.5TiO3无铅压电陶瓷,系统地研究了制备工艺条件对陶瓷性能和结构的影响。柠檬酸浓度、溶液pH值、烧结温度制度对陶瓷的压电性能有很大的影响。当柠檬酸浓度C=9%,pH=8.5,烧结温度为1130℃时,陶瓷具备最大的压电常数,d33可达71.2pc/n。1130℃烧结陶瓷的XRD表明,陶瓷已形成单一钙钛矿结构的钛酸铋钠主晶相。     

水热法制备Na_(0.5)Bi_(0.5)TiO_3陶瓷及其性能

以五水硝酸铋(Bi(NO_3)_3·5H_2O)和二氧化钛(TiO_2)为原料,氢氧化钠(NaOH)为矿化剂,采用水热法合成了具有钙钛矿结构的钛酸铋钠Na_(0.5)Bi_(0.5)TiO_3(BNT)无铅压电陶瓷粉体和陶瓷。利用X射线衍射仪(XRD)对产物晶体结构进行表征,用扫描电镜(SEM)观察产物粉体的表观形貌和粒径,并测试了陶瓷的电性能。结果表明,在200℃反应4h,NaOH浓度为6 mol/L,可以水热合成出单一晶相,粒径约为200nm的BNT粉体,用此粉体在1130℃烧结的陶瓷的介电常数ε_r=385.26,压电系数d_(33)=98cP/N。     

(Bi_(0.5)Na_(0.5))TiO_3-BaTiO_3系陶瓷的介电弛豫性能

采用传统压电陶瓷固相合成法制得了纯钙钛矿相的( 1 -x) (Bi0 5Na0 5 )TiO3 -xBaTiO3 (x=0 02, 0 04,0 06, 0 08, 0 10) (简写作BNBT)系无铅压电陶瓷。研究了1kHz条件下室温到400℃的温度范围内BNBT试样的介电温谱以及3种不同频率下(1、10、100kHz)BNBT-6试样的介电温谱,发现材料在研究组成范围内均为弛豫型铁电体。采用HRTEM研究了该系统的畴结构,表明BNBT钙钛矿结构铁电体的介电性能与复合离子的有序无序排列密切相关,纳米尺度有序微畴对介电弛豫起着重要作用。     

Cu掺杂对(K_(0.5)Na_(0.5))NbO_3-(Bi_(0.5)Na_(0.5))TiO_3-LiSbO_3-NaTaO_3系压电陶瓷结构及性能的影响

采用传统的陶瓷工艺制备了0.94[0.9405(K0.5Na0.5)NbO3-0.0095(Bi0.5Na0.5)TiO3-0.05LiSbO3]-0.06NaTaO3(简称KNN-BNT-LS-NT)+xmol%CuO(0≤x≤2.0)陶瓷,研究了其晶体结构、压电、介电以及铁电性质,并对Cu2+在A、B位取代做了详细的分析讨论。结果表明,Cu2+的加入能显著提高陶瓷的机械品质因数Qm和降低其介电损耗tanδ,当加入1.5mol%的Cu2+在时,取得较佳的性能,即d33=183pC/N、Qm=166、tanδ=0.0135。     

(0.94-y)Bi_(0.5)Na_(0.5)TiO_3-0.06BaTiO_3-yBiCoO_3陶瓷的制备与性能

为发展绿色无毒的PZT(lead zirconate titanate,锆钛酸铅)压电陶瓷替代压电材料,钛酸铋钠因其剩余极化强和压电性能好等特点被广泛研究。为进一步提高其压电性能,我们利用传统固相合成工艺制备了(0.94-y)Na_(0.5)Bi_(0.5)Ti O3-0.06Ba Ti O3-y Bi Co O3无铅压电陶瓷。探究了在Ba Ti O3定量的情况下,Bi Co O3对陶瓷的热学性质、结构、压电性能的影响。实验结果表明,微量添加Bi Co O3对BNBT6的结构基本没有影响,所制备的陶瓷仍均为单一的钙钛矿结构;随着Bi Co O3含量的增加,剩余极化强度Pr和矫顽场Ec都是先降低后增加;通过对陶瓷样品的压电性能分析,可以看出Bi Co O3的掺杂量为0.01时,陶瓷样品的压电常数d33取得最大值171 p C/N。     

Na_(0.5)Bi_(0.5)TiO_3:ZnO无铅复相陶瓷的显微结构与铁电性能

采用二步固相法制备了0.8Na_(0.5)Bi_(0.5)TiO_3:0.2ZnO无铅复相铁电陶瓷,研究了不同烧结温度制备的复相陶瓷的烧结性能、显微结构和铁电性能。结果表明:Na_(0.5)Bi_(0.5)TiO_3中引入20%(摩尔分数)ZnO后,复相陶瓷产生了第三相Zn_2TiO_4,并且随着烧结温度的升高,Zn_2TiO_4含量逐渐增加。1 000℃烧结的陶瓷样品的剩余极化强度在测试温度为135℃时仍然保留了室温下的81%,且随着烧结温度的升高,不同样品的剩余极化强度没有减小的趋势,证明了ZnO所形成的内建电场提高了Na_(0.5)Bi_(0.5)TiO_3铁电性的高温稳定性。     

BiFeO_3-K_(0.5)Na_(0.5)NbO_3无铅压电陶瓷的烧结工艺

采用传统固相烧结法制备性能良好的铁酸铋(BiFeO3,BF)掺杂的铌酸钾钠(K0.5Na0.5NbO3,KNN)压电陶瓷(BF-KNN),着重研究BF摩尔(下同)掺量对KNN结构与压电性能的影响规律以及BF-KNN陶瓷的烧结工艺。结果表明:适量BF有利于提高BF-KNN的压电性能,当BF掺量≥1%后,压电性能急剧降低。与仅烧结一次的样品相比,二次烧结BF-KNN陶瓷形成更加稳定的正交晶系钙钛矿结构,陶瓷组织致密,压电性能大幅度提高,压电常数(d33)、平面机电耦合系数(kp)与机械品质因数(Qm)分别达134pC/N、46%和364,但介电性能明显降低,相对介电常数(εr)从退火前的554降至388。一次、二次烧结样品的体积密度分别为4.12g/cm3和4.36g/cm3,相对密度分别为91.35%和96.67%。在温度低于490℃、频率为100kHz时,二次烧结样品的介电损耗tanδ5%,其Curie温度高达420℃。     

化学法制备Y掺杂BaTiO_3-(Bi_(0.5)Na_(0.5))TiO_3无铅PTCR陶瓷

用化学法制备了(1-xmol%)BaTiO_3-xmol%(Bi_(0.5)Na_(0.5))TiO_3(BBNTx,x=1,2,3,4,5)高温无铅正温度系数电阻(positive temperature coefficient of resistivity, PTCR)陶瓷。XRD表明所有的BBNTx陶瓷形成了单相的ABO_3四方钙钛矿结构。电阻温度特性表明空气中烧结的所有BBNTx陶瓷都能够半导化,具有明显的PTC特性。其中0.2 mol%Y掺杂BBNT1陶瓷,室温电阻率大约为500Ω·cm,电阻突跳比(最大电阻/最小电阻)在2.7个数量级左右,电阻突变温度约130℃。材料的电阻突变温度会随着BNT的增加而略有增加。但BNT的增加会导致室温电阻率明显增大,并且PTC效应也会降低。BBNT5陶瓷的电阻突变温度能够增加到145℃左右,但室温电阻率超过105Ω·cm,电阻突跳只有1个数量级。     

稀土氧化物对Na_(0.5)Bi_(0.5)TiO_3基无铅压电陶瓷结构和性能的影响

综述了稀土氧化物在Na0.5Bi0.5TiO3(BNT)基无铅压电陶瓷中的应用现状和发展前景,并阐述了稀土氧化物在BNT基无铅压电陶瓷中的作用机理。     

Y_2O_3,Fe_2O_3掺杂(Na_(0.5)Bi_(0.5))TiO_3无铅压电陶瓷的研究

采用固相法制备了(Na0.5Bi0.5)TiO3+xmol%Y2O3+xmol%Fe2O3(0≤x≤1.25)(简称NBTYF)无铅压电陶瓷。XRD衍射结果表明,所有陶瓷样品均为单一的钙钛矿结构。SEM表明,掺杂后陶瓷的晶粒尺寸增大。介电温谱表明该体系陶瓷具有弛豫特性,随掺杂量的增加,退极化温度Td向低温方向移动,而居里温度Tc向高温方向移动。陶瓷的密度和压电常数d33和随x的增加先增大后减小,而机械品质因子Qm一直下降。当x=1.00时,该体系陶瓷具有最佳压电性能,d33=106pC/N,Qm=93,kp=16.08%,εr=594,tanδ=5.33%,ρ=5.699g/cm3。     

La掺杂(Na_(0.5)Bi_(0.5))_(0.82)(K_(0.5)Bi_(0.5))_(0.18)TiO_3系统无铅压电陶瓷的制备工艺探讨

采用传统陶瓷工艺,研究了制备[(Na0.5Bi0.5)0.82(K0.5Bi0.5)0.18]1-xLaxTiO3(x=0.00,0.01,0.03,0.05,0.10)无铅压电陶瓷的工艺条件对陶瓷的物相组成、显微结构和压电性能的影响。利用XRD、SEM等技术分析结果表明,合成温度的提高有利于主晶相的形成,且此系统烧成温度范围较窄,故需控制在合适的烧成温度下才能得到高致密度的陶瓷。同时,研究了极化工艺条件对材料压电性能的影响,结果表明,提高极化电场强度、控制适当的极化温度有利于提高材料的压电性能。     

Bi_(0.5)K_(0.5)TiO_3掺杂对0.945K_(0.5)Na_(0.5)NbO_3-0.045LiSbO_3无铅压电陶瓷结构性能的影响

采用传统固相合成法合成(1-x)(0.945K0.5Na0.5NbO3-0.045LiSbO3)-x(Bi0.5K0.5TiO3)(简记为(KNN-LS)(1-x)-BKTx))无铅压电陶瓷,研究不同BKT掺入量(x=0.000,0.005,0.010,0.015,0.020,0.025,0.030)对该体系陶瓷的微观结构和压电介电性能。结果表明:x≤0.025时,均可形成单一钙钛矿结构;与KNN-LS相比,体积密度(ρ)、机械耦合系数kp、kt显著提高;d33、介电损耗tanδ、机械品质因数Qm和次级相变温度降低;当x=0.020时,样品的整体性能达到最佳值:ρ=4.239g/cm3,d33=94pC/N,kp=30.9%,kt=20.7%,tanδ=0.024,相对介电常数εT33/ε0=2468,Qm=53.95,次级相变温度降至室温以下,温度稳定性好。     

沉积温度对Na_(0.5)Bi_(0.5)TiO_3铁电薄膜结构与性能的影响

利用脉冲激光沉积法和磁控溅射法在(001)SrTiO_3单晶基片上构架了铁电异质结电容器Pt/La_(0.5)Sr_(0.5)CoO_3/Na_(0.5)Bi_(0.5)TiO_3/La_(0.5)Sr_(0.5)CoO_3/SrTiO3(LSCO/NBT/LSCO/STO)。利用原子力显微镜(AFM)、X射线衍射仪(XRD)、铁电测试仪和压电力显微镜(PFM)研究了沉积温度对Na_(0.5)Bi_(0.5)TiO_3(NBT)铁电薄膜的表面形貌、微结构和电学性能的影响。AFM结果表明,NBT薄膜晶粒尺寸随着沉积温度的增加先变小后增大。XRD结果显示,不同沉积温度下生长的NBT薄膜均为(00l)择优取向结构。铁电测试仪和PFM结果表明,NBT薄膜的铁电和压电性能随着沉积温度的增加先增大后减小,650℃生长的薄膜具有最高的剩余极化强度(19.6μC/cm2)和最大的有效压电系数(146 pm/V)。     

(0.94-x)Bi_(0.5)Na_(0.5)TiO_3-x(K_(0.9)Na_(0.1))NbO_3-0.06BaTiO_3无铅陶瓷的结构与电储能特性研究

采用固相法制备了(0.94-x)Bi_(0.5)Na_(0.5)TiO_3-x(K_(0.9)Na_(0.1))NbO_3-0.06BaTiO_3((0.94-x)BNT-x KNN-0.06BT,x=0,0.03,0.06,0.09,0.12,0.15)无铅储能陶瓷,系统研究了(K_(0.9)Na_(0.1))NbO_3(KNN)添加量x对陶瓷相结构、微观结构和电储能特性的影响。X射线衍射(XRD)分析结果表明:当x≤0.03时,陶瓷为纯立方钙钛矿结构,而当x≥0.06时,出现第二相。扫描电子显微镜(SEM)结果显示各陶瓷具有高的致密度。采用HP4294精密阻抗分析仪测试了陶瓷的介电性能,采用美国Radiant铁电分析仪测试了陶瓷的电滞回线并计算了其储能密度和能量效率。结果表明在1120℃烧结温度下制备的(0.94-x)BNT-x KNN-0.06BT陶瓷,当x=0.03时,陶瓷具有优异的性能:相对介电常数ε_(33)~T/ε_0=2440,介电损耗tanδ=5.1%,在外加电场90 k V/cm条件下,其有效储能密度γ达到1.43 J/cm~3,且具有较高的能量效率η=72.5%,表明该陶瓷可应用在高压储能陶瓷电容器中。     

含Ti-Al阻挡层的硅基Na_(0.5)Bi_(0.5)TiO_3电容器的结构与电学性能

通过射频磁控溅射法和脉冲激光沉积法,以Ti-Al为阻挡层,在(001)Si衬底上制备了La0.5Sr0.5CoO_3(LSCO)/Na_(0.5)Bi_(0.5)TiO_3(NBT)/LSCO(LSCO/NBT/LSCO)异质结铁电电容器。研究了Na_(0.5)Bi_(0.5)TiO_3铁电薄膜的结构和物理性能。结果表明:Ti-Al阻挡层为非晶结构,NBT薄膜结晶质量良好。在1 500 k V/cm驱动电场下,LSCO/NBT/LSCO电容器呈现饱和的电滞回线,具有较大的剩余极化强度(47.9μC/cm2)和较小的脉宽依赖性,而且抗疲劳特性和保持特性良好。此外,漏电机制研究表明:当外加电场小于400 k V/cm时,LSCO/NBT/LSCO电容器满足欧姆导电机制,在电场大于400 k V/cm时,满足空间电荷限流传导机制。     

La_2O_3掺杂(Bi_(0.5)Na_(0.5))_(0.94)Ba_(0.06)TiO_3陶瓷的介电和压电性能的研究

用固相反应法制备La2O3掺杂的铁电陶瓷(Bi0.5Na0.5)0.94Ba0.06TiO3(BNBT6)。X射线衍射曲线表明掺杂0-0.6wt%La2O3的BNBT6为钙钛结构。研究了La2O3掺杂对BNBT6陶瓷介电性能和压电性能的影响。结果表明La2O3掺杂量为0.3wt%的BNBT6陶瓷综合性能最佳,其中介电常数为1981.4,介电损耗为0.0625和压电常数为145pc/N。SEM图象表明La2O3掺杂提高了陶瓷的致密度。     

Ca_(0.7)Bi_(0.15)Na_(0.15)TiO_3-NdAlO_3复合陶瓷微波介电性能研究

通过传统固相烧结法制备了(1-x)(Ca_(0.7)Bi_(0.15)Na_(0.15)TiO_3)-xNdAlO_3(CBNT-xNA,x=0.3, 0.35, 0.4, 0.5)陶瓷,并采用X射线衍射仪、扫描电子显微镜和网络矢量分析仪分别对其晶体结构、表面形貌及微波介电性能进行了系统研究。结果表明:NdAlO_3添加可以有效增加复合陶瓷的晶粒尺寸;CBNT-NA复合陶瓷主要为钙钛矿结构,并伴随有CaAl_(12)O_(19)和Ti_6O_(11)第二相产生;CBNT-0.35NA陶瓷的微波介电性能性能最佳,ε_r=52.1,Q×f=5862 GHz,τ_f=11.5×10~(-6)/℃。     

模板前驱体对熔盐法制备Na_(0.5)Bi_(0.5)TiO_3片状晶粒的影响

首先采用熔盐法合成出铋层状结构的Bi_4Ti_3O_(12)和Na_(0.5)Bi_(4.5)Ti_4O_(15)籽晶,再分别以其作为前驱体,通过拓扑化学反应在900～1100℃合成了片状、各向异性的Na_(0.5)Bi_(0.5)TiO_3晶粒。通过XRD,SEM分析方法,研究了模板前驱体对Na_(0.5)Bi_(0.5)TiO_3晶粒相结构和微观形貌的影响,并讨论了其形成机理。结果表明:前驱体晶胞的不同造成Na_(0.5)Bi_(0.5)TiO_3粒径大小和形貌的差异。     

溶胶-凝胶法制备BaTiO_3-Bi_(0.5)Na_(0.5)TiO_3无铅PTCR陶瓷

新型高温无铅PTCR(Positive temperature coefficient of resistance)陶瓷是一种重要的功能材料。以BaC_4H_6O_4、Bi C_6H_9O_6、NaC_2H_3O_2、YC_6H_9O_6、C_(16)H_(36)O_4Ti为原料,通过溶胶-凝胶法制备了Y施主掺杂90mol%BaTiO_3-10mol%Bi_(0.5)Na_(0.5)TiO_3(简写为90BT-10BNT)陶瓷粉体,并且在低温下烧结成无铅PTCR陶瓷。利用XRD测试了粉体的相结构,利用SEM观察了粉体的形貌,并且测试了PTCR陶瓷的介电温度谱和电阻温度特性。研究表明,溶胶-凝胶法制备的新型90BT-10BNT无铅PTCR陶瓷的居里温度达到了195℃,但电阻突跳不高,小于1个数量级。