Bi(Ni1/2Ti1/2)O3-PbTiO3基高温压电陶瓷的研究

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随着现代科学技术的飞速发展,很多工业设备对其所选用的压电材料的使用温度要求越来越高,而目前性能优良并且使用温度高的压电陶瓷材料非常少。因此,新型高居里温度压电材料的研发势在必行。Bi(N i1/2Ti1/2)O3-PbTiO3基高温压电陶瓷材料具有较高的居里温度以及较好的压电铁电性能等优势,有较好的应用前景,受到各国学者的关注。本课题选用该体系作为研究对象,对其高温压电性能展开了研究。  本文首先研究了Bi(N i1/2Ti1/2)O3-PbTiO3系陶瓷的PbTiO3含量和烧结温度对其压电性能的影响,讨论了A位原子过量以及不同原子掺杂对BNT-PT陶瓷的致密性和压电性能的影响。实验结果表明:当PT含量45mol%, Bi和Pb同时过量1mol%时,0.55Bi(Ni1/2Ti1/2)O3-0.45PbTiO3(BNT-PT)陶瓷在1150℃烧结的性能最佳,TC=400℃,εm=12000, tgδ=6%(室温下),Pr=42μC/cm2,EC=41kV/cm,d33=262pC/N。少量的掺杂可以使BNT-PT陶瓷的部分电性能发生明显的改变,而其他性能变化不是很明显。当掺入Mn原子后,损耗从6%下降到1%,但压电系数d33迅速下降;当掺入0.4mol%Ce原子后,室温下介质损耗下降到3%,压电系数仍然可以达到240pC/N,但是居里温度从400℃下降到了300℃;当掺入1mol%Fe原子,密度ρ=7.947g/cm3,d33=278pC/N。  在上述基础上,为了进一步提高体系的居里温度和压电系数,选取了Bi(Mg1/2Ti1/2)O3和BiFeO3作为第三组分,研究了三元复合对陶瓷性能的影响。研究表明,Bi(Mg1/2Ti1/2)O3的引入并未能提高陶瓷的压电性能;BiFeO3的引入对体系的影响较为显著,当BiFeO3的含量为10mol%时, BNT-BF-PT三元系的性能最佳, Pr=37.4μC/cm2,EC=30.8kV/cm,d33=295pC/N,TC=410℃, tgδ=3%。  最后,选用了BNT-PT为研究对象,分别采用两段法和微波烧结法来制备该二元系高温压电陶瓷,研究了烧结工艺对陶瓷性能的影响。两段法烧结可以获得晶粒尺寸更小的压电陶瓷,但是压电系数只有240pC/N;微波烧结可以降低BNT-PT陶瓷的烧结温度,提高压电陶瓷的性能,在1050℃烧结下,Pr=55μC/cm2,EC=30.8kV/cm, d33=293pC/N,TC=400℃,tgδ=4%。
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