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作为压电陶瓷的重要发展方向之一,碱金属盐类无铅功能陶瓷具有体系多样化、性能系列化、烧结温度较低、制备能耗小等特点。因其环境友好特性,成为人们关注的焦点。本论文在充分调研材料发展趋势的基础上,以包括晶格内结构组元、晶粒中物相、畴和畴壁、晶粒间异质结和晶粒排列等多层次结构与性能的关联为研究主题,以探索和优化功能陶瓷材料的物理性能为主要目的展开研究。
首先,以两步法烧结铌酸钠陶瓷的相结构为研究对象,X射线衍射分析了晶粒中R3c铁电相和Pbcm反铁电相。发现两步法烧结可使铌酸钠陶瓷晶粒尺寸减小,进而有效抑制了晶粒中因二次结晶而形成的以孪晶为特征的反铁电相,得到以铁电相为主的铌酸钠陶瓷晶粒。其晶粒形貌、介电温谱和电滞回线均证明了铌酸钠陶瓷中的相组成。以热激发空间电荷模型解释了在立方相以上温区的热滞现象。
其次,以铌酸钾钠锂陶瓷的畴结构为研究对象,发现了102-106 Hz频率下介电温度谱中次介电峰所反映的不同成分化学畴,以电子探针波谱法测量了各抛光样品的元素不均匀性,以空间电荷模型解释了不同化学畴介电峰和损耗峰的变化根源,定性地提出相变时频率变化使阳离子跃迁形成空间电荷效应和晶格结构变化所产生载流子散射效应是一对矛盾共同体,揭示了结构和各电学性能的联系。
再次,首次观察到了钽锑铌酸钾钠锂陶瓷有序的局部晶粒排列结构图案和由次晶粒形成超晶粒的自组装过程,发现超晶粒的形貌与晶格间具有自洽性,提出其晶粒晶面间的极性电场为驱动力的生长机制。发现了钽锑铌酸钾钠锂陶瓷中缺陷、畴壁与畴的晶格结构依赖关系,即满足晶格匹配与失配规律;发现了其压电效应的增量与畴壁的潜在应变量之间的关联,以及极性畴和畴壁的阶段性反转机制,得出晶格尺度上畴壁密度越大压电陶瓷的介电和压电性能越高的结论,为进一步增加无铅压电陶瓷中的畴密度提出了一个可行的解决方案和途径。
接着,以不同晶粒构成的异质结构为对象,过添加锂和铈,第一次实现了50-479℃的宽温度范围内对Na0.5Bi0.5TiO3交流电阻率正温度系数的持续调制。以发现的电学异质晶界、直至由钛酸铋钠晶粒和晶界处富锂相共同构成的核.壳结构,解释了NBTLC陶瓷交流下电阻率正温度系数效应。这意味着钛酸铋钠基陶瓷在高温电热传感器件方面有应用潜力。
最后,以晶格内不同结构组元为间接研究对象,分析了化合物Na0.5Bi4.5Ti4O15晶格中典型的赝钙钛矿块NBT和B□T及铋层分别对其介电、铁电和压电性所做出的显著贡献。以研究发现的各向异性大热滞回线,初步判断Na0.5Bi4.5Ti4O15陶瓷为一级相变;分析了赝钙钛矿块NBT和B□T以及和铋层的阶段性转变。
此外,分辨出Li0.5Bi0.5TiO3为两相共存的混合物,初步鉴别了其XRD图谱中前四个衍射峰,以EDS定性区分了各相所含除锂以外的化学元素。测量了此混合物的介电、交流阻抗和可见-紫外光吸收特性,其禁带宽度Eg为2.85 eV,吸收边为蓝光范围的435 nm处。以固相反应法成功合成了化合物Na0.5Eu4.5Ti4O15和Na0.5Sm4.5Ti4O15,检索知其室温时均为三方晶系,空间群为P3c1。精修后得到各自的点阵常数、晶胞体积、单位晶胞分子数z及X射线理论密度D。指标化它们的各衍射线,给出了多晶X射线衍射数据。
总之,无论是晶粒间的异质结构、晶粒的排列结构、晶粒中的相结构及畴和畴壁结构,还是晶格中不同结构组元都会对材料的性能起着显著影响,通过调控各种结构的构成必将对材料物性起到调控的作用。