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Na0.5Bi4.5Ti4O15(NBT)铋层结构陶瓷材料由于具有铋层状结构较高的居里温度以及相对优异的介电和压电性能,引起了研究者的广泛关注,是高温无铅压电陶瓷中有希望的候选材料之一。
本论文采用固相烧结法制备了NBT铋层结构高温无铅压电陶瓷,系统研究了NBT铋层结构陶瓷的烧结性能和不同预烧结方式对NBT铋层结构材料性能的影响;探讨了烧结过程中施加轴向压力对NBT铋层结构陶瓷的影响;进行了NBT铋层结构陶瓷材料A位、B位的掺杂改性研究。具体研究内容如下:
1.研究了NBT铋层结构陶瓷的烧结特性及煅烧方式对NBT铋层结构陶瓷微观结构、形貌、介电性能、压电性能以及温度稳定相的影响。结果表明:烧结温度对NBT铋层结构材料的微观结构及形貌有较大影响,在1080℃附近取得较好的电学性能;采用闭口煅烧的方式可以有效地抑制Bi、Na等元素的挥发,得到了纯相NBT铋层结构陶瓷。闭口煅烧的陶瓷相比于开口煅烧的陶瓷,具有高的居里温度,高的介电常数,低的介电损耗,高的剩余极化强度与高的压电常数。
2.研究了高温烧结时施加轴向压力对NBT铋层结构陶瓷微观结构、形貌、介电性能、压电性能以及退极化温度的影响。结果表明:对于具有片状晶粒、且在烧结过程中有液相出现的NBT铋层状结构陶瓷,在陶瓷烧结的过程中施加较小的单轴压力将使得材料受压发生形变,烧结过程中的形变会导致材料内部的晶粒发生晶粒定向,定向的晶粒作为模板进一步会烧结得到织构的陶瓷。
3.为考察掺杂及烧结温度对NBT铋层材料的影响,设计了Li2O,CoO及温度对材料性能影响显著性研究的正交试验。研究结果表明烧结温度及B位CoO对NBT铋层结构材料的电性能影响显著,Li2O对NBT铋层结构材料电性能影响较小。研究固定Li2O量改变B位CoO量对NBT铋层结构陶瓷微观结构、形貌、介电性能、压电性能以及温度稳定相的影响。结果表明适量掺杂引起晶格畸变,陶瓷晶粒长大,密度提高,压电铁电性能获得提高。
4.研究了A位Na元素缺失对NBT铋层结构陶瓷微观结构、形貌、介电性能、压电性能以及温度稳定相的影响。结果表明Na缺失并不会改变材料的本征结构,也不会对材料结构中铋氧层与钙钛矿层间的相互作用力造成大的影响。因此材料依然可以保持原有高的居里温度,材料的电性能也不会发生大的变化。