Bi0.5Na0.5TiO3基无铅铁电陶瓷电致应变性能研究

作     者：聂煌辉 

作者单位：西南大学 

学位级别：硕士

导师姓名：刘岗

授予年度：2023年

学科分类：08[工学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 080502[工学-材料学] 

主      题：钛酸铋钠 电致应变 A/B位共同掺杂改性 相结构调控 

摘      要：锆钛酸铅(PZT)等铅基压电陶瓷因优良的压电及驱动特性而广泛应用于医疗、电子、汽车、通信、机械、航天、军工等领域,且目前占据了市场主导地位。然而,铅基压电陶瓷在生产制造及使用过程会引起环境污染和造成健康危害,因此开发可替代铅基的环保型压电陶瓷已成为当下研究的重点与热点。钛酸铋钠(BiNaTi O,BNT)因压电性能优越、居里温度高、化学性质稳定、铁电性强等突出优势被认为是替代铅基的潜在材料。本文因此选择BNT无铅压电陶瓷作为研究对象并开展应变特性研究,通过将钛酸钡(Ba Ti O,BT)固溶进BNT陶瓷中进行性能优化,当BT摩尔含量为6%时,陶瓷相结构由三方相转变为三方相与四方相共存。此外,BT的引入能够有效降低铁电-弛豫相转变温度,BNBT陶瓷在110℃温度下获得0.396%的大应变。在此基础之上采用A/B位共同掺杂策略来提升BNT基陶瓷的应变性能,以期获得应变性能优良的新型无铅压电陶瓷。研究表明Na Ta O(NT)的引入将诱导BNBT的相结构由三方四方相共存转变为伪立方相,可有效调控铁电-弛豫相转变温度,破坏宏观铁电畴,促进极性纳米微区的生成,增强局部结构的无序程度,降低极化响应。BNBT-3NT在65 k V/cm下获得了0.394%的大应变,其逆压电系数高达606 pm/V。将Li Ta O(LT)固溶至BNBT陶瓷基体中将诱导遍历弛豫相产生并破坏材料的铁电性,降低剩余极化、最大极化、矫顽场,最终BNBT-3LT在80 k V/cm下获得0.439%的应变值,逆压电系数为548 pm/V。将Sr Sn O(SS)引入至BNBT陶瓷基体中能够降低铁电-弛豫相转变温度并增强铁电-弛豫相扩散性能,降低最大介电常数并拓宽介温峰。BNBT-2SS陶瓷在80 k V/cm下的单极应变为0.445%,逆压电系数为556 pm/V。虽然Ca Sn O(CS)固溶进基体中不会影响BNBT陶瓷的纯钙钛矿结构,但会降低晶胞的各向异性。CS的引入能调控铁电-弛豫相转变温度至室温附近,增强陶瓷的弛豫特性,降低材料的铁电性。BNBT-3CS陶瓷在80 k V/cm下获得0.368%的正应变,逆压电系数为458pm/V。将Bi Al O(BA)引入BNBT基体后,Bi、Al分别替代钙钛矿结构中的A位、B位,提高离子混乱程度,破坏长程铁电有序,降低最大极化、剩余极化、矫顽场,增强材料弛豫特性,诱导铁电体转变为弛豫铁电体。最终在60 k V/cm下BNBT-2BA陶瓷获得了0.432%的大应变,逆压电系数高达724 pm/V。总而言之,本文以BNBT陶瓷为基体,采用A/B位共同掺杂改性策略对陶瓷基体进行性能优化,探究了结构与性能之间的关联,开发了系列应变性能良好的无铅铁电陶瓷,为新型无铅铁电陶瓷驱动器的发展提供了一定理论指导依据。