Bi12TiO20基自然极性陶瓷的制备及性能研究

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1、、？论文分类号：２、学校代码：１０７０８学号：１５０２０１１Ｍ＾ｋＡＡＡＡｌＳＨＡＡＮＸＩＵＮＩＶＥＲＳＩＴＹＯＦＳＣＩＥＮＣＥ＆ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ硕士学位论文Ｔ’ｈｅｓｉｓｆｏｒＭａｓｔｅｒｓＤｅｇｒｅｅＢｉ１ＴｉＯ２２０基自然极性陶瓷的制备及性能研究惠驰原指导教师姓名：蒲永平教授学科名称：材料物理与化学论文提交日期：２０１８年４月论文答辩日期：２０１８年５月学位授予单位：陕西科技大学申请工学硕士学位论文论文题目：Bi12TiO20基

2、自然极性陶瓷的制备及性能研究学科门类：工学一级学科：材料科学与工程培养单位：材料科学与工程学院硕士生：惠驰原导师：蒲永平教授2018年5月PreparationandPropertiesofSelf-poledBi12TiO20BasedCeramicsAThesisSubmittedtoShaanxiUniversityofScienceandTechnologyinPartialFulfillmentoftheRequirementfortheDegreeofMasterofEngineeringSci

3、enceByChiyuanHuiSupervisor:Prof.YongpingPuMay2018Bi12TiO20基自然极性陶瓷的制备及性能研究摘要压电材料作为一种可以将机械能和电能互相转换的功能性材料在各个工业和科学领域都显得非常重要。对于传统的固体压电材料来说，当温度高于其材料本身的居里温度之后，压电性将会消失。因此，对于传统压电陶瓷来说，在高温下材料的应用将受到一个极大的限制。但是对于利用挠曲电效应所设计出来的挠曲电压电材料，其压电性能不受温度影响，可以规避这一问题。自然极性压电陶瓷利用挠曲电效应，

4、只需通过烧结，无需施加电场极化就可具备一定的压电性能。本文主要对自然极性压电陶瓷材料进行研究，通过选取不同的材料与Bi12TiO20相进行复合制备自然极性陶瓷材料，通过控制Bi12TiO20相在这种复合陶瓷内的含量以及调控陶瓷的烧结温度，对这种新型材料进行了较为系统的研究。通过对材料设计上进行优化，提高这种自然极性陶瓷的压电性能。采用传统固相法制备了(Ba0.85Ca0.15)(Zr0.1Ti0.9)O3-x%Bi12TiO20陶瓷，XRD的结果表明，Bi12TiO20的微量添加不会影响陶瓷的主晶相结构，且

5、所有样品均为单一的BaTiO3四方相结构。在x=0.05时的样品介电常数最大，在1kHz-1下达到5250，介电损耗值为1.5%。当x=0.5时，样品的击穿强度达8kV·mm，-2-3最大极化强度为17.79μC·cm，具有最高的储能密度0.388J·cm。对BCZT添加微量Bi12TiO20的样品并未展现出宏观的压电性能。采用传统固相法制备了Bi12TiO20-BaTiO3自然极性陶瓷材料，从拉曼光谱中发现，BaTiO3相关拉曼峰的位置和半峰宽变化不明显，Bi12TiO20相关拉曼峰出现减弱、展宽和向低的

6、波长方向移动，表明Bi12TiO20存在大量的非晶相，材料中BiO5多面体有着明显的畸变，陶瓷的自然极性由材料内部发生畸变的BiO5多面体引起。陶瓷中的非均匀变形与烧结过程中温度梯度引起的应变梯度有关，认为BiO5多面体的畸变沿厚度方向逐渐发生变化。在烧结温度为870°C时，x=0.5的样品获得最高的致密度，最高的压电常数，d33可达13pC/N。在确定去极化温度时，Bi12TiO20起着决定性的作用。温度不超过800°C，压电常数可以稳定保持不发生变化。采用传统固相法制备了Bi12TiO20-(Ba0.8

7、5Ca0.15)(Zr0.1Ti0.9)O3(BCZT)自然极性陶瓷材料，陶瓷内部非晶态Bi12TiO20形态不规则，与Bi12TiO20晶粒、BCZT晶粒在陶瓷内部随机分布。从拉曼光谱中发现，部分Bi12TiO20相关峰I明显地出现减弱、变宽的现象，表明大量的Bi12TiO20以非晶态存在。在224-1cm处的峰出现减弱以及向较低的波长方向移动，表明在该材料中BiO5多-1面体有着明显的畸变。在262和320cm处的拉曼峰，向较高的波长方向移动，表明材料受到应力影响，该测试点材料发生压缩变形。材料所受到的

8、应力来源于材料中相与相之间所产生的界面，畸变的BiO5多面体与固液交界的界面处的宏观应力，共同影响着自然极性陶瓷中宏观极性的产生。在烧结温度为880°C时，x=0.5的样品获得最高的致密度，最高的压电常数，d33可达14pC/N。温度不超过850°C，压电常数可以稳定保持不发生变化。在高温下，陶瓷片中的两个不同的组分发生相互扩散，随着保温时间的延长，形成的拱形结构的拱高越高。具有拱形结构的陶瓷样品同正常制备出来的