BNT基无铅陶瓷的B位复合离子调控及其多功能特性研究

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钛酸铋钠基无铅陶瓷具有良好的铁电、压电等电学性能,是取代铅基陶瓷的有力竞争者之一。但与铅基陶瓷相比,它的各项性能还存在较大的差距,其组成-结构-性能之间的内在联系也缺乏系统研究。本文以0.82Bi0.5Na0.5TiO3-0.18Bi0.5K0.5TiO3(0.82BNT-0.18BKT)二元固溶体为基底,研究了复合离子(Sr1/3Nb2/3)4+(SN)、(Mn1/3Nb2/3)4+(MN)及(Fe1/4Sc1/4Nb1/2)4+(FSN)掺杂对0.82BNT-0.18BKT陶瓷结构与多功能电学特性的影响,探索了陶瓷的组成-结构-性能之间的内在联系。(1)研究了B位SN掺杂对0.82Bi0.5Na0.5Ti(1-x)(Sr1/3Nb2/3)x O3-0.18Bi0.5K0.5TiO3(BNTSNx-BKT;或BNKT-ySN,y=0.82x)陶瓷结构与电学响应的影响。XRD和拉曼光谱表明:随着SN掺杂量的增加,BNTSNx-BKT陶瓷由三方相和四方相两相共存转变为四方相,最后转变为伪立方相。SN掺杂细化了陶瓷的晶粒,破坏了BNTSNx-BKT陶瓷的长程有序铁电相,使其由铁电态向遍历弛豫态转变。低电场下BNTSNx-BKT陶瓷在x=0.06时获得最大的储能密度值为0.4J/cm3,最大正向应变(Spos)值为0.31%,单极应变值为0.44%(0.1Hz),对应的电致伸缩系数为0.029m4/C2(E=50kV/cm)。压电常数随着掺杂含量的增加而逐渐减小,但等效压电常数d*33逐渐增大至888pm/V。低场下大的场致应变归因于场致弛豫相向铁电相的转变和结构相变的共同作用。不同频率下的单极电滞回线和应变曲线表明:频率的增大使得单极应变减小,铁电性减弱。(2)研究了不同烧结温度、浓度配比及电场下(相比于(1)中的条件)Bi0.5(Na0.82K0.18)0.5Ti(1-x)(Sr1/3Nb2/3)x O3(BNKT-xSN)陶瓷的相转变与电性能变化规律。BNKT-xSN陶瓷为伪立方相钙钛矿结构,SN的掺杂对BNKT-xSN陶瓷的表面形貌无太大影响。合适的掺杂量、温度和外电场调控着长程有序铁电态和弛豫态之间的相转变。精细的SN浓度配比诱导BNKT-xSN陶瓷在x=0.035时铁电态和遍历弛豫态共存,在x=0.03和0.035时具有相同的最大正向应变0.25%(E=70kV/cm)。弛豫性的增强导致剩余极化强度和矫顽场急剧减小,储能密度从x=0.02(E=50kV/cm)时的0.074J/cm3提高到x=0.045(E=80kV/cm)时的0.754J/cm3,最大Spos从x=0.02(E=50kV/cm)时的0.075%增大到x=0.04(E=80kV/cm)时的0.3%。增大电场使BNKT-xSN陶瓷获得的最大Spos从相临界区域转变为弛豫相为主导相的遍历态区域。高电场下BNKT-xSN陶瓷的相衍变行为有助于对BNT基陶瓷相结构与多种电性能间的作用机理有更深入地理解。(3)研究了MN掺杂对Bi0.5(Na0.82K0.18)0.5Ti(1-x)(Mn1/3Nb2/3)xO3(BNKT-xMN)陶瓷的结构与电学性能的影响。含变价元素Mn的复合离子MN掺杂丰富了BNKT-xMN陶瓷的相结构和电性能变化规律。BNKT-xMN陶瓷先从三方-四方共存相转变为四方单相,最后转变为伪立方相;MN的掺杂使BNKT陶瓷晶粒尺寸急剧减小,掺杂量继续增加对陶瓷的表面形貌无太大影响。离子掺杂和电场调控着BNKT-xMN陶瓷的长程有序铁电性,铁电性先增强后减弱。成分诱导BNKT-xMN陶瓷在x=0.03时铁电态和遍历弛豫态共存,在这一临界区域获得最大Spos和单极应变,分别为0.38%和0.386%,对应的双极d*33均为767pm/V,最大d33为158pC/N。根据极化前后的XRD、拉曼光谱以及介电温谱曲线可知:外加电场对具有高应变响应的临界成分点相结构并无明显影响。(4)研究了复合离子FSN掺杂对Bi0.5(Na0.82K0.18)0.5Ti(1-x)(Fe1/4Sc1/4Nb1/2)xO3(BNKT-xFSN)陶瓷结构和电学性能的影响。结果表明:BNKT-xFSN陶瓷为伪立方相;晶粒生长均匀、致密且无气孔;在弛豫态下,掺杂量的增加使得剩余极化和矫顽场急剧减小,且BNKT-xFSN陶瓷的储能密度随电场的升高而逐渐增大,在x=0.09时达到最大值0.96J/cm3(E=90kV/cm),对应的储能效率为62%。同时,BNKT-0.07FSN陶瓷的场致应变从50kV/cm时的0.13%增加到80kV/cm时的0.43%,对应的电致伸缩系数Q33在70kV/cm下达到最大值0.0213m4/C2。高电场诱导的弛豫-铁电相变导致应变增大,且伪立方结构下的BNT基弛豫陶瓷在TF-R相变温度调控至室温附近时,获得大的电致伸缩系数。A、B位阳离子的成分波动以及无序性使得BNKT-xFSN陶瓷具有典型的弛豫特征。
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