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铁酸铋-钛酸钡陶瓷的结构、电性能及实时高温压电响应研究

铁酸铋-钛酸钡陶瓷的结构、电性能及实时高温压电响应研究

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作者：谭云川桂林电子科技大学

学位级别：硕士

无铅高温压电陶瓷因同时具备高居里温度与优秀电性能被广泛应用于极端环境下的电子设备的传感、驱动,BiFeO-BaTiO(BF-BT)陶瓷是其中极具代表性的一员。目前,在BF-BT陶瓷退极化温度的研究中,非原位退极化是粗略估算其退极化温度的常用实... 详细信息

无铅高温压电陶瓷因同时具备高居里温度与优秀电性能被广泛应用于极端环境下的电子设备的传感、驱动,BiFeO-BaTiO(BF-BT)陶瓷是其中极具代表性的一员。目前,在BF-BT陶瓷退极化温度的研究中,非原位退极化是粗略估算其退极化温度的常用实验方法,但这种方法不能反映陶瓷的高温实时压电响应变化。为了进一步提高BF-BT陶瓷高温压电性能的稳定性,本文采用原位退极化的实验方法测定了陶瓷在高温应用环境下压电响应的实时变化,并结合介电温谱、变温铁电测试结果对其相变过程进行了研究。最后基于上述研究,利用掺杂的方法对BF-BT陶瓷的电磁性能与高温压电性能进行了提升。主要内容与结果如下:(1)通过对0.7BF-0.3BT陶瓷的晶体结构和显微形貌分析发现,陶瓷为三方相与立方相共存,空间群点阵分别为为R3c与Pm3m,平均晶粒尺寸为3.49μm。室温下的陶瓷表现为正常铁电体,且电性能相对较好,为压电常数d=152p C/N,平面机电耦合系数k=0.33,剩余极化强度P≈22.67μC/cm,最大应变S≈0.11%,最大相对介电常数ε=27948,居里温度T=433℃。在非原位退极化测试中,陶瓷的d随着温度的升高而单调减小,退极化温度为T≈410℃。在原位退极化测试中,在室温至200℃的温度范围内,陶瓷的d随温度上升而增大。随着温度的进一步上升,退极化过程开始,在200℃附近的弛豫相变加速了陶瓷的退极化过程,故其d开始快速减小。当温度接近陶瓷的居里温度时,其相对介电常数快速的增长,导致d再次增大。而温度上升至居里温度后,陶瓷转变为顺电相,其压电响应将快速减小直至完全消失。(2)Cu O、LiCO、Zn O的掺杂会改变0.7BF-0.3BT陶瓷三方相与立方相的相对占比(空间群点阵分别为R3c与Pm3m),促进陶瓷晶粒生长,显著提高其压电、介电学性能。在三个掺杂组分中,掺杂LiCO组分的电性能最佳,为d=153p C/N,k=0.35,ε=77051,T=497℃。在高温实时压电响应测试中,三种化合物的加入都抑制了0.7BF-0.3BT陶瓷在200℃附近的弛豫相变,减弱了其对退极化进程的加速作用。因此,陶瓷高温压电性能的稳定性明显提高,其中,掺杂LiCO陶瓷高温压电性能的稳定性优于其他两种化合物且退极化温度最高,为T≈510℃。实验表明抑制0.7BF-0.3BT陶瓷在退极化过程的弛豫相变是一个行之有效的提高高温压电性能稳定性的方法。(3)微量Si O掺杂0.7BF-0.3BT-x Si O(0.7BF-0.3BT-x Si O,x=0、0.02%、0.04%、0.06%和0.08%)陶瓷:通过XRD图谱可以发现,微量的Si O掺杂并未改变陶瓷晶体结构,陶瓷依然为三方相,空间群点阵为R3c,但是掺杂后陶瓷的晶粒尺寸与电磁性能都发生了变化。适量的Si O掺杂可以促进陶瓷晶粒的生长,减少晶界数量,使得陶瓷的电畴更容易在外场作用下翻转。其中,当Si O掺杂量为0.06%时,陶瓷的电性能最佳,为d=167p C/N,k=0.318,P=23.7μC/cm,E=26.24k V/cm,ε=25291,T=443℃。另外,Si O的掺杂还有利于提高陶瓷的退极化温度与高温压电性能,同样在掺杂量为0.06%时,其退极化温度最高,为T≈430℃,且高温压电性能最佳。在磁性能测试中,Si O的掺杂提高了陶瓷的剩余磁化强度,当掺杂量为0.08%时,达到最大值,为B=0.082emu/g。

关键词：无铅高温压电陶瓷退极化行为弛豫相变高温压电性能稳定性退极化温度

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