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bs-pt压电陶瓷的结构表征与性能研究

BS-PT压电陶瓷的结构表征与性能研究

作者：张思梦西安工业大学

学位级别：硕士

随着现代科技的蓬勃发展,在某些特定应用领域对能在高温环境工作的压电材料需求日益紧迫,因此亟需匹配以高温压电材料为核心的新型压电元件。高温压电陶瓷Bi Sc O-Pb Ti O(bs-pt)拥有高的居里温度和优异的压电性能,已成为高温工作环境... 详细信息

随着现代科技的蓬勃发展,在某些特定应用领域对能在高温环境工作的压电材料需求日益紧迫,因此亟需匹配以高温压电材料为核心的新型压电元件。高温压电陶瓷Bi Sc O-Pb Ti O(bs-pt)拥有高的居里温度和优异的压电性能,已成为高温工作环境下的优选材料之一。本论文针对目前bs-pt陶瓷制备工艺窗口窄、温度稳定性差、高压电和高居里温度兼具困难等不足展开研究。基于Pb O能够稳定陶瓷相结构,本研究选取准同型相界(MPB)组分0.36bs-0.64pt,考察Pb O掺杂及制备工艺对陶瓷结构与性能的影响规律,探索最优工艺条件;基于缺陷工程和晶格畸变调控相界理论,探索相结构组成对低铅含量的0.39bs-0.61pt陶瓷组织和性能的影响,构筑成分—相界—组织—性能之间的关系。主要结果如下:(1)通过固相法成功制备了0.36bs-0.64pt和1wt%Pb-0.36bs-0.64pt两个组分的压电陶瓷;1wt%Pb O的引入有利于稳定0.36bs-0.64pt陶瓷的相结构和电学性能、拓宽陶瓷的烧结工艺窗口;0.36bs-0.64pt组分陶瓷的居里温度基本不受1wt%Pb O和制备工艺的影响,所有陶瓷均展现出高的居里温度T=450℃;1wt%Pb-0.36bs-0.64pt陶瓷具有更高的压电和机电性能:室温压电常数d=365p C/N、机电耦合系数k=51%、介电损耗tanδ=0.022。(2)采用固相法成功制备0.39bs-0.61pt和1wt%Pb-0.39bs-0.61pt陶瓷;1wt%Pb O的引入阻碍0.39bs-0.61pt陶瓷结构畸变,不利于该组分陶瓷相结构调控和压电性能的提高;晶格畸变诱导0.39bs-0.61pt陶瓷从单一三方相结构转变为三方四方相共存,成功构建了准同型相界(MPB);相对于1wt%Pb-0.39bs-0.61pt,0.39bs-0.61pt陶瓷具有更优异的压电和机电性能:压电常数d=417p C/N,机电性能k=53%,介电损耗tanδ=0.02,居里温度T=415℃;室温到300℃,陶瓷表现出优异的压电稳定性。(3)通过固相法成功制备0.36Bi(ScZr)O-0.64Pb Ti O和0.39Bi(ScZr)O-0.61Pb Ti O(x=0.005,0.01,0.015mol)两组分陶瓷;随Zr O含量增加,0.36bs-0.64pt陶瓷相结构比例发生改变,在x=0.01mol时,0.36bs-0.64pt陶瓷室温压电常数d=415p C/N,机电耦合系数k=54%;随Zr O含量的增加,0.39bs-0.61pt陶瓷相结构由R相向MPB相界方向变化,陶瓷的电学性能得到明显改善,并且居里温度随掺杂量的增加而向高温方向移动,解决了高居里高压电不能兼备的问题,同时样品表现出优异的温度稳定性。当烧结温度为1150℃,x=0.01mol时,具有优良的电学性能:室温压电常数d=436p C/N、介电常数ε=1632、机电耦合系数k=53%、tanδ=0.025、居里温度T=427℃。

关键词： bs-pt 制备工艺结构与性能非化学计量比 ZrO2掺杂

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三元系PH-bs-pt陶瓷性能研究

声学与电子工程 2017年第2期 48-52页

作者：解广亚声纳技术重点实验室第七一五研究所杭州310023

为了探究三元系PH-bs-pt陶瓷的准同型相界附近的组分,实验将bs加入PH-pt中合成三元系PH-bs-pt陶瓷,通过相图分析,设计一系列组分制备陶瓷,通过对陶瓷性能测试,发现相比于二元系陶瓷,三元系相界组分陶瓷的居里温度明显提高,温度稳定性较好。

关键词：无机材料 PH—pt bs-pt PH-bs-pt 准同型相界陶瓷性能

造孔剂含量对多孔BiScO_3-PbTiO_3高温压电陶瓷性能的影响

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材料科学与工艺 2016年第5期24卷 9-13页

作者：张松林徐卓李振荣罗欣贺雨晨电子陶瓷与器件教育部重点实验室(西安交通大学) 西安710049

为研究造孔剂含量对多孔BiScO_3-PbTiO_3(记作bs-pt)高温压电陶瓷性能的影响,采用炭黑作为造孔剂,通过传统固相烧结法对不同初始固相体积分数的准同型相界附近的bs-pt/炭黑混合物制备出多孔高温压电陶瓷.利用X射线衍射仪对多孔陶瓷进行... 详细信息

为研究造孔剂含量对多孔BiScO_3-PbTiO_3(记作bs-pt)高温压电陶瓷性能的影响,采用炭黑作为造孔剂,通过传统固相烧结法对不同初始固相体积分数的准同型相界附近的bs-pt/炭黑混合物制备出多孔高温压电陶瓷.利用X射线衍射仪对多孔陶瓷进行物相分析,通过扫描电子显微镜观察样品的新鲜断面和抛光热腐蚀后的表面显微结构,并对其压电、介电和水声性能进行研究.结果表明:制备的不同初始bs-pt体积分数多孔压电陶瓷均为立方钙钛矿相结构,孔隙通道密实化清晰可见,没有显著的缺陷,气孔的形状是长条形的,长度从几微米到几十甚至上百微米不一,气孔之间是孤立的;随着造孔剂炭黑的体积分数从20%增加至50%,气孔率线性地从8.3%增加至22.1%,εr、d33及d31逐渐下降,静水压优值(HFOM)逐渐增大.多孔压电陶瓷的性能强烈依赖于孔隙空间结构,如气孔率、孔径、孔隙形态及连接方式.

关键词： bs-pt 多孔高温压电陶瓷造孔剂炭黑气孔率

凝胶注模法制备多孔BiScO_3-PbTiO_3高温压电陶瓷及性能研究

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材料科学与工艺 2016年第2期24卷 36-40页

作者：张松林徐卓李振荣林大斌贺雨晨电子陶瓷与器件教育部重点实验室(西安交通大学) 西安710049

为了拓展BiScO_3-PbTiO_3体系陶瓷的应用领域,采用凝胶注模工艺,对初始固相体积分数10%的准同型相界附近的BiScO_3-0.642PbTiO_3(记作bs-pt642)/混合物经球磨、注模、脱模、烘干、排胶,在1 100℃烧结,制备出多孔高温压电陶瓷.利用X射线... 详细信息

为了拓展BiScO_3-PbTiO_3体系陶瓷的应用领域,采用凝胶注模工艺,对初始固相体积分数10%的准同型相界附近的BiScO_3-0.642PbTiO_3(记作bs-pt642)/混合物经球磨、注模、脱模、烘干、排胶,在1 100℃烧结,制备出多孔高温压电陶瓷.利用X射线衍射仪对多孔陶瓷进行物相分析,通过扫描电子显微镜观察样品的新鲜断面和抛光热腐蚀后表面的显微结构,并对其压电、介电和水声性能进行研究.研究表明,多孔bs-pt高温压电陶瓷为立方钙钛矿相结构,具有高静水压优值(HFOM)和高孔率结构,孔隙通道密实化清晰可见,没有显著的缺陷,且气孔之间相互连通,其中一个活跃的压电陶瓷相和一个被动空气相呈三维互连.样品的气孔率为31.8%,静水压优值为1 020×10^(-15)Pa^(-1),介电常数和压电常数分别为εr=620,d_(33)=213 pC/N.

关键词： bs-pt 多孔高温压电陶瓷凝胶注模气孔率静水压优值

Structure and electrical properties of 0.07Pb(Mn1/3Sb2/3)O3-(0.93-x)BiScO3-xPbTiO3 Piezoelectric ceramics

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Structure and electrical properties of 0.07Pb(Mn1/3Sb2/3)O3-...

BiScO3-PbTiO3高温压电陶瓷的性能优化与能量收集的模拟仿真

2011年全国压电和声波理论及器件应用研讨会

作者： Wang-Jie QIAN Ying YANG Bing WANG Lin-Lin LIU 1,2,3,4 State Key Laboratory of Mechanics and Control of Mechanical Structures,Precision Driving Laboratory,College of Aerospace Engineering,Nanjing University of Aeronautics and Astronautics,Nanjing,210016

A new bismuth-based ternary piezoelectric ceramics of 0.07Pb(MnSbO-(0.93-x)BiScO-xPbTiO (PMS-bs-pt,x=0.52～0.72) was synthesized by conventional solid-state *** phase,microstructure, dielectric,piezoelectric and ferro... 详细信息

关键词： bs-pt PMS Mechanical quality factor High temperature Piezoelectric

来源： cnki会议评论

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BiScO3-PbTiO3高温压电陶瓷的性能优化与能量收集的模拟仿真

作者：秦美丽西安工业大学

学位级别：硕士

压电材料作为一类能够直接实现机械能与电能有效转换的功能电子材料,广泛应用于机械制造、电子通讯、军事等领域,在力、热、光、电、磁等功能转换器件中具有广阔的应用前景。如汽车内燃机的电喷装置,要求压电材料在200℃甚至300℃以上... 详细信息

压电材料作为一类能够直接实现机械能与电能有效转换的功能电子材料,广泛应用于机械制造、电子通讯、军事等领域,在力、热、光、电、磁等功能转换器件中具有广阔的应用前景。如汽车内燃机的电喷装置,要求压电材料在200℃甚至300℃以上的高温环境下稳定工作等,高温压电材料及其器件的高温应用研究受到了前所未有的关注。高居里温度、高退极化温度和高压电性能是作为高温压电能量收集材料的必备要素。而这些宏观特性反映在材料内部的晶体结构、相组成和微观形态上,因此剖析材料的宏观性能和内部微观结构之间内在关联性,是开发高温压电能量收集器的关键。目前,商用压电材料主要是Pb(Zr,Ti)O(简称PZT)压电陶瓷材料,但由于正常的工作温度范围被限制在150℃以下,无法在更高温度环境下稳定工作,所以寻求居里温度高且具有优异性能的压电材料成为日益增长的迫切需求。论文选择偏三方组分0.39Bi Sc O-0.61Pb Ti O(0.39bs-0.61pt)压电陶瓷作为研究对象,从两方面实现陶瓷性能的优化。一是通过离子掺杂改善陶瓷的压电性能;二是基于晶格畸变调控相界的理论,诱导陶瓷的相结构向MPB相界过渡,实现最佳四方相(T相)比例,在提高电学性能的同时提高居里温度。最后,利用性能优化后的0.39bs-0.61pt压电陶瓷进行压电悬臂梁振动能量收集器的模拟与仿真,探索bs-pt基压电材料在能量收集器方面应用的潜力。(1)采用固相反应法制备了不同Sm含量0.39Bi Sc O-0.61(Pbsm)Ti O(xSm-0.39bs-0.61pt)(x=0,0.005,0.01,0.015mol)陶瓷。XRD相结构分析表明,Sm取代A位,促使陶瓷相结构由单一三方相逐渐向四方相转变,实现准同型相界结构构筑。电学性能测试表明,随Sm含量的增加,在四方相一侧,对压电常数d与介电常数的变化速率不同,n成功获得了优异的机电转换性能陶瓷。当烧结温度为1150℃,Sm掺杂含量为x=0.01时,陶瓷的电学性能最佳:d=455p C/N,k=55%,=1075,tanδ=0.046,T=382℃。温度稳定性测试表明,从室温到290℃,xSm-0.39bs-0.61pt陶瓷表现出优异的压电稳定性。(2)采用固相法制备了y Zn O-0.39Bi Sc O-0.61Pb Ti O(y Zn-0.39bs-0.61pt)(y=0.005,0.01,0.015,0.02mol)陶瓷,XRD分析表明,随着Zn O含量的增加,陶瓷的相结构由单一三方相逐渐向四方相转变,实现准同型相界构筑。电学性能测试表明,随着Zn O含量的增加,陶瓷的压电常数d先增大后减小,居里温度不断向高温方向移动。在y=0.015时,T相比例约为70%,该组分陶瓷获得最佳的综合性能:d=431p C/N,k=53%,为1285,tanδ=0.047,T=432℃,从室温到365℃,陶瓷表现出良好的压电稳定性。(3)利用0.01Sm-0.39bs-0.61pt高温压电陶瓷模拟了压电悬臂梁式振动能量收集器。得到了一套自洽的全矩阵宏观机电参数,利用COMSOL Multiphysics有限元模拟软件对该能量收集器进行建模仿真。结果表明,在66Hz频率下,悬臂梁以相同的频率进行周期性上下振动,并在上下陶瓷片中产生了电位差,在接入外部负载时,产生了电流。该能量收集器的输出电压和输出电功率随着频率的增加先增后减,呈对称式分布。当频率为66Hz、负载电阻为12kΩ、加速度为1g时,输出电压为5.589V,输出电功率为1.302m W。0.01Sm-0.39bs-0.61pt陶瓷的机电转换效率为98.64%。研究该能量收集器与外接负载的关系表明,输出电压随外接负载的增加呈现上升趋势,稳定在7.012V;输出电功率随阻值的增加呈对称式下降趋势,在阻值为10kΩ时,输出电功率达到最大值,为1.349m W。研究该能量收集器与外部激励加速度的结果表明,输出电压随加速度的增加呈现直线上升的关系,输出电功率随加速度的增加呈现二次函数关系。改变质量块的质心高度,会降低该能量收集器的特征频率,提高该能量收集器的输出特性,使得能量收集器的收集效率得到优化。

关键词： bs-pt 掺杂改性全矩阵能量收集仿真与模拟

BiScO3-PbTiO3系高温压电陶瓷的制备和性能调控

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BiScO3-PbTiO3系高温压电陶瓷的制备和性能调控

作者：钱王洁南京航空航天大学

学位级别：硕士

近年来，由于汽车工业、能源工业和航空航天领域对高温压电传感器和驱动器的迫切需求，高温压电材料的研究受到了前所未有的关注和重视。铋基钙钛矿固溶体(1-x)BiScO-xPbTiO(bs-pt)在MPB附近拥有大的压电常数(d33=450pC/N)和高的居里温... 详细信息

近年来，由于汽车工业、能源工业和航空航天领域对高温压电传感器和驱动器的迫切需求，高温压电材料的研究受到了前所未有的关注和重视。铋基钙钛矿固溶体(1-x)BiScO-xPbTiO(bs-pt)在MPB附近拥有大的压电常数(d33=450pC/N)和高的居里温度(T=450°C)，是高温应用的理想材料。但是bs-pt也存在着机械品质因数低，原料昂贵等不足。针对这些问题，本论文以bs-pt二元压电陶瓷为基础，选取PMS和PYN作为第三组元，系统地研究了新型三元体系0.07Pb(MnSb)O-(0.93-x)BiScO-xPbTiO(PMS-bs-xpt)和(0.92-x)BiScO-xPbTiO-0.08Pb(YbNb)O(bs-xpt-PYN)的相结构、微观组织以及室温和高温条件下的电学性能。用传统固相反应法制备PMS-bs-xpt (x=0.52.72)三元体系陶瓷，研究PMS和不同bs/pt比例对陶瓷性能的影响。结果表明：该体系中区分三方相和四方相的MPB在x=0.6附近，此成分压电性能最优：ε=993, d=225pC/N, k=0.38。陶瓷的居里温度随pt含量变化显著，PMS的加入使陶瓷具有一定的弛豫行为，同时也显著提高了bs-pt固溶体系的硬性压电性能，机械品质因数在x=0.72处可达1291，而介电损耗有了大幅度下降，当x>0.6时介电损耗值皆低于1%。由于PMS诱导产生缺陷偶极子对电畴的钉扎效应，陶瓷的P-E回线呈现“束腰”状。用前驱体法制备bs-xpt-PYN (x=0.54-0.62)陶瓷。研究表明：PYN的加入使MPB小幅移动至x=0.56.58附近，当x=0.58时性能最佳：εr=1260, d33=370pC/N, k=0.46。材料晶体结构的四方度随着pt的增加而显著增加，同时T呈现不断提高的趋势，MPB样品在Tm70°C处介电常数最大值可达到7,000。高温性能测试表明PYN的加入使材料具有更好的高温稳定性，可能由于外部压电响应的增强，MPB组分样品的kp、Q和P都随温度升高而提高并在200°C时获得最大值，材料的这一温度-性能行为与传统PZT电学性能的温度依赖性截然不同。高温、高电场下的电阻率测试表明陶瓷在200°C和45kV/cm的条件下仍然保持高电阻率行为。因此PYN改性的bspt陶瓷是一种高温应用的理想候选材料。

关键词：压电陶瓷 bs-pt 机械品质因数居里温度热稳定性铌镱酸铅

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钪酸铋—钛酸铅基压电材料的电学性能及调控

钪酸铋—钛酸铅基压电材料的电学性能及调控

作者：王秀文南京航空航天大学

学位级别：硕士

随着航空航天、武器装备、汽车工业以及高端电子设备的不断发展,迫切需要具有高居里温度,大压电系数的压电材料。和正常铁电体相比,铅基弛豫铁电体拥有一系列优异的性能,无论在压电、介电还是电致伸缩方面,都有着正常铁电体无法比拟的... 详细信息

随着航空航天、武器装备、汽车工业以及高端电子设备的不断发展,迫切需要具有高居里温度,大压电系数的压电材料。和正常铁电体相比,铅基弛豫铁电体拥有一系列优异的性能,无论在压电、介电还是电致伸缩方面,都有着正常铁电体无法比拟的优点。二元固溶体(1-x)BiScO3-xPbTiO3(bs-pt)在准同型相界(MPB)附近具有高居里温度(Tc=450℃)和大压电常数(d33=460pC/N),但是存在原料昂贵不利于大规模生产、性能对成分依赖性高等缺点。针对这些不足,本文在此二元体系基础上通过分别掺入LiNbO3(LN)和Pb(Yb1/2Nb1/2)O3(PYN)形成新的三元体系,并系统研究其相结构、微观形貌、电学性能以及温度稳定性。采用固相反应法制备36bs-64pt,探索其最佳预烧温度和烧结温度以及最佳极化工艺参数。结果表明,预烧和烧结温度分别为750℃、1100℃,极化电场、温度、时间分别为4.2kV/mm、100℃、15min,所制备出的陶瓷综合性能最佳,为d33=401pC/N,kp=0.42,tanδ=0.017采用传统固相烧结法制备(95-x)bs-xpt-5LN(x=28,30,32,34,36,38,40,42)陶瓷。测试结果表明,该体系MPB位于32≤x≤36,在x=34处常温性能最佳,分别为d33=530pC/N、kp=0.47、Pr=42.5μC/cm2、εr=2268。x=36时,140℃下d33*达到了1177pm/V。该体系具有良好的温度稳定性,并且随着bs含量的增加逐渐由正常铁电体转变为弛豫铁电体。通过对各个组分居里温度的拟合可以发现居里温度与bs含量呈线性关系,Tc=-10x+615(℃)。用前驱体法制备出(1-x-y)bs-xpt-yPYN(y=0.1,0.15,0.2,0.3)陶瓷,各组分均呈单一钙钛矿结构,并且。测试其性能,研究四种不同PYN含量中性能最佳的组分,找出该三元体系的MPB,并对这四种组分进行变温测试,分析其温度稳定性。结果表明,随着PYN含量的增加,体系弛豫性逐渐增强,温度稳定性增强,并确定bs-pt-PYN(y=0.1,0.15,0.2,0.3)体系的MPB在0.32bs-0.58pt-0.1PYN、0.33bs-0.52pt-0.15PYN、0.32bs-0.48pt-0.2PYN和0.3bs-0.4pt-0.3PYN附近。

关键词：铅基弛豫铁电体 bs-pt 相转变压电常数温度稳定性场致应变