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。     

(Bi0.5Na0.5)TiO3:Sm3+无铅压电陶瓷的红光发射特性

采用传统的固相反应烧结方法制备了稀土Sm³⁺掺杂的(Bi_0.5Na_0.5)TiO₃无铅压电陶瓷。系统分析了掺杂浓度、烧结温度和离子补偿对发光特性的影响。稀土Sm³⁺离子的加入实现了(Bi_0.5Na_0.5)TiO₃陶瓷的红绿光发射, 其激发光波段位于400~500 nm范围内, 与已经成熟的蓝光LED芯片的发射光谱充分匹配。当烧结温度为1100℃, Sm³⁺离子的掺杂浓度为0.015 mol时, 陶瓷样品呈现最强的发光强度。同时, 通过Li⁺、Na⁺、K⁺离子进行电荷补偿, 有效提高了陶瓷样品的发光性能, 发光强度随离子半径增大而增强。可见, Sm³⁺掺杂的(Bi_0.5Na_0.5)TiO₃材料在光电集成器件中具有很好的应用前景。     

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。     

三元陶瓷Pb(In1/2Nb1/2)O3-Pb(Ni1/3Nb2/3)O3-PbTiO3准同型相界附近组分的介电、铁电和压电性能

铅基复合钙钛矿铁电材料广泛应用于机电传感器、致动器和换能器。二元铁电固溶体Pb(Ni_1/3Nb_2/3)O₃- PbTiO₃(PNN-PT)由于其在准同型相界(MPB)区域具有优异的压电、介电性能而备受关注。然而较大的介电损耗和较低的居里温度限制了其在高温高功率器件方面的应用。本研究通过引入Pb(In_1/2Nb_1/2)O₃ (PIN)作为第三组元改善PNN-PT的电学性能, 提高其居里温度; 通过两步法合成了MPB区域的三元铁电陶瓷Pb(In_1/2Nb_1/2)O₃- Pb(Ni_1/3Nb_2/3)O₃-PbTiO₃ (PIN-PNN-PT), 研究了其结构、介电、铁电和压电性能。制备的所有组分陶瓷具有纯的钙钛矿结构。随着PT含量的增加, 陶瓷结构从三方相转变为四方相。通过XRD分析得到了室温下PIN-PNN-PT体系的MPB相图。体系的居里温度由于PIN的加入得到了很大的提高, 更重要的是PIN的引入降低了PNN-PT体系的介电损耗和电导。MPB处的组分展现出了优异的电学性能, 室温下, 性能最优组分为0.30PIN-0.33PNN-0.37PT: d₃₃=417 pC/N, T_C=200 ℃, ε′= 3206, tanδ=0.033, P_r=33.5 μC/cm², E_C=14.1 kV/cm。引入PNN-PT的PIN第三组元使得体系的居里温度和压电性得到提高的同时降低了的介电损耗和电导率, 因此, PIN-PNN-PT三元铁电陶瓷在高温高功率换能器等方面具备一定的应用潜力。     

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。     

(Ba0.85Ca0.15)(Ti0.9Zr0.1-xSnx)O3无铅压电陶瓷的相结构与压电性能

钙锆共掺钛酸钡陶瓷(BCZT)具有优异的介电性能和压电性能, 是一类具有发展潜力的无铅压电陶瓷, 但其压电性能仍无法与铅基陶瓷媲美。为提高压电性能, 本研究对陶瓷材料进行Sn元素掺杂改性((Ba_0.85Ca_0.15)- (Ti_0.9Zr_0.1-xSn_x)O₃, x=0.02~0.07))。晶体结构分析证实所有组分的陶瓷无杂相, 处于正交相与四方相两相共存状态, 并具有较大的c/a; 显微结构分析发现所有陶瓷都很致密, 且平均晶粒尺寸随着Sn含量的增加而增大。当x=0.04时, 陶瓷最致密, 且室温处于准同型相界附近, 因此拥有最佳的电学性能: d₃₃=590 pC•N ^-1, k_p=52.2%, tanδ=0.016, ε ^T₃₃=5372, d ^*₃₃=734 pm•V ^-1, IR=57.8 GΩ•cm。本研究表明: Sn掺杂的BCZT基无铅压电陶瓷具有优异的压电性能, 有望在换能器、机电传感器和驱动器等方面得到应用。     

一步法合成的2.0%Sm-0.25Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-0.75Pb(Zr1-xTix)O3压电陶瓷的压电性能

通常采用两步合成法制备铌镁酸铅-锆钛酸铅(Pb(Mg_1/3Nb_2/3)O₃-Pb(Zr, Ti)O₃,PMN-PZT)压电陶瓷,即先合成MgNb₂O₆前驱体。工业生产中,两步法生产效率相对较低,成本高,并影响产品性能的一致性。本工作通过高效及低成本的一步合成法,研制了高致密度和高压电性能的2.0%(摩尔分数,下同)Sm-0.25Pb(Mg_1/3Nb_2/3)O₃-0.75Pb(Zr_1-xTi_x)O₃(Sm-PMN-PZT)压电陶瓷。在x=0.52～0.53范围内,构建了三方相、四方相(R-T)共存的准同型相界(MPBs);Sm³⁺的引入增强了局域结构异质性,外电场下铁电相变的势垒较低,即自由能曲线的曲率最小,压电性能得到优化。当x=0.525时,陶瓷具有最优的综合电学性能,压电系数d₃₃     

烧结温度对0.55Pb(Ni_(1/3)Nb_(2/3))O_3-0.45Pb(Zr_(0.3)Ti_(0.7))O_3压电陶瓷性能的影响

0.55Pb(Ni1/3Nb2/3)3-0.45Pb(Zr0.3Ti0.7)O3(0.55PNN-0.45PZT)组分的弛豫型压电陶瓷因具有较高的压电性能,已被作为制备含金属芯压电陶瓷纤维的材料等使用。为了进一步提高压电陶瓷纤维的电学性能,采用传统固相烧结法制备了0.55PNN-0.45PZT压电陶瓷,研究了烧结温度对材料结构、表面形貌和电学性能的影响。结果表明,在烧结温度为1200℃时,材料的各方面性能较佳:密度为8.12g/cm3,d33=850pC/N,kp=0.62,εr=7317,tanδ=0.033,Qm=41.66。     

A/B位双取代钛酸铋钠基压电陶瓷性能研究

采用固相烧结方法制备了Bi、Co同时取代化学计量比钛酸铋钠基(Bi_0.5+x/2Na_0.5-x/2)_0.94Ba_0.06Ti_1-xCo_xO₃无铅压电陶瓷, 研究了材料中A/B位缺陷对其电滞回线和电致应变的影响。结果表明陶瓷具有均一的赝立方结构, 随着掺杂量的增加, 材料铁电-弛豫相转变温度降低, 应变增加。同时材料在疲劳过程中伴随着弛豫相的增多, 在较低电场下产生较大的应变(0.458%), 逆压电常数d₃₃^*达到770 pm/V。介电温谱和电滞回线上反常变化与化学计量比陶瓷中产生的A/B位缺陷偶极子密切相关, 并表明这种缺陷偶极子是以氧空位为媒介形成的。     

LiF掺杂对BiFeO3-BaTiO3陶瓷结构、铁电和压电性能的影响

采用固相反应法制备0.7BiFeO₃-0.3BaTiO₃+0.35%(摩尔分数，下同)MnO₂+x%LiF(BF-BT-MN-xLF)压电陶瓷。采用XRD,SEM,铁电测试系统和精密阻抗分析仪测试陶瓷的物相组成、显微结构和铁电、压电性能。结果表明：LiF掺杂加强晶格畸变，促进烧结和晶粒生长，改善压电性能的温度稳定性。Li⁺和F^-不等价取代A/B位产生的复合缺陷偶极子，转向速度滞后于外加电场的变化，导致电滞回线呈现夹持现象。同时，对BF-BT-MN-xLF陶瓷的退极化行为以及居里温度变化的研究表明，LiF掺杂显著提高陶瓷的居里温度T_c和退极化温度T_d,T_c和T_d分别由500℃和410℃(x=0)升高到550℃和505℃(x=0.50)。当LiF掺杂量为0.50%时，在860～1020℃温度范围内烧结的陶瓷始终保持较高的压电系数，d₃₃=176～202 pC/N。x=0.5...     

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。     

Characteristics of relaxor-based piezoelectric single crystals forultrasonic transducers

For ultrasonic transducers, piezoelectric ceramics offer a range of dielectric constants (K~1000-5000), large piezoelectric coefficients (d_ij~200-700 pC/N), and high electromechanical coupling (k _t≃50%, k₃₃≃75%). For several decades, the material of choice has been polycrystalline ceramics based on the solid solution Pb(Zr_1-xB_2x)O₃ (PZT), compositionally engineered near the morphotropic phase boundary (MPB). The search for alternative MPB systems has led researchers to revisit relaxor-based materials with the general formula, Pb(B₁,B₂)O₃ (B₁:Zn²⁺ , Mg²⁺, Sc³⁺, Ni²⁺..., B₂ :Nb⁵⁺ Ta⁵⁺...). There are some claims of superior dielectric and piezoelectric performance compared to that of PZT materials. However, when the properties are examined relative to transition temperature (T₃), these differences are not significant. In the single crystal form, however, Relaxor-PT materials, represented by Pb(Zn_1/3Nb_2/3)O₃-PbTiO ₃ (PZN-PT), Pb(Mg_1/3Nb_2/3)O₃-PbTiO₃ (PMN-PT) have been found to exhibit longitudinal coupling coefficients (k₃₃)>90%, thickness coupling (k_t)>83%, dielectric constants ranging from 1000 to 5000 with low dielectric loss <1%, and exceptional piezoelectric coefficients d₃₃>2000 pC/N, the later promising for high energy density actuators. For single crystal piezoelectrics to become the next generation material of ultrasonic transducers, further investigation in crystal growth, device fabrication and testing are required     

钛酸铋钠基无铅铁电陶瓷场致应变性能研究

钛酸铋钠(Bi_0.5Na_0.5)TiO₃(BNT)作为典型的钙钛矿型弛豫铁电体, 具有超高的场致应变, 是最有希望代替铅基体系的无铅压电体系之一。与铅基陶瓷相比, BNT基陶瓷具有驱动电压较高、迟滞较大以及温度稳定性差等劣势。为了优化无铅驱动器的应变性能, 本研究采用固相反应法制备(1-x){0.76(Bi_0.5Na_0.5)TiO₃-0.24SrTiO₃}-xNaNbO₃(BNT- ST-xNN, x=0~0.03)无铅铁电陶瓷。结果表明, 当x=0.01时, 该陶瓷在较低电场(E=4 kV/mm)下的应变值可达到0.278%, 等效压电系数d^*₃₃高达695 pm/V。此时, 陶瓷处于非遍历/遍历弛豫相界处, 电场诱导弛豫-铁电相变导致大场致应变。与x=0.01相比, x=0.02时应变值为0.249%, 略微下降, 但迟滞却降低至43%。此外, 该应变在25~100 ℃温度范围内维持稳定。本研究表明, 在BNT基陶瓷中固溶SrTiO₃和NaNbO₃组元可以提高场致应变值, 同时维持较低的驱动电场和良好的温度稳定性, 可用于压电驱动器研制。     

无铅压电陶瓷KNN常压烧结及其电学性能

用常压烧结法制备K_0.5Na_0.5NbO₃陶瓷。研究烧结温度与陶瓷密度和电学性能的关系。研究表明在1065℃~1120℃范围内, 温度对陶瓷的密度有显著影响。当烧结温度为1100℃时, 密度达到4.35 g/cm³ (占理论密度的95%); 1100℃烧结的陶瓷表现出最好的电学性能, 压电常数最大118 pC/N, 相对介电常数最大达538, 介电损耗最小仅4.7%, 剩余极化强度为15.37 μC/cm², 矫顽场为13.16 kV/cm。陶瓷样品在206℃从正交结构转变到四方结构, 居里温度为410℃。     

(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℃。     

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。