bnbkt系无铅压电陶瓷的组分设计与性能改性研究

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1、BNBKT系无铅压电陶瓷的组分设计与性能改性研究摘要钛酸铋钠(Bio．sNao．5)Ti03(BNT)是一类A位离子复合占位的钙钛矿结构铁电体，居里温度为320oC，剩余极化强度相对较大为381．tC／cm2，具有很强的铁电性。BNT基无铅压电陶瓷以优异的电学性能和无污染被认为是最有希望取代铅基陶瓷的候选材料之一。本文运用准同型相界(MPB)的线性叠加原理，设计了(1．x)(o．968Bio．5Nao．5T103．0．032BaTi03)-xBio．5Ko．5T103(BNBKTx)三元系无铅压电陶瓷，从MPB

2、的组分优化、掺杂改性和低温烧结三方面进行研究。采用传统固相合成法制备BNBKTx样品，XRD结果表明所制备的样品都为单一的钙钛矿结构，其MPB位于O．08≤X≤0．10成分范围之内。同时，研究了BNBKTx陶瓷在MPB组分附近的电学性能和相变弥散特性，结果表明：MPB附近的BNBKT9组分具有较低的矫顽场E。=1．98kV／mm：并具有优异的压电性能：d33=162pC／N，k。=31％。BNBKTx陶瓷是一类典型的弛豫型铁电体材料，随着Bio．5Ko．5Ti03含量的增加，弛豫性逐渐增强。本文研究了Sb203

3、掺杂对MPB组分BNBKT9的显微结构和电学性能的影响。XRD结果表明：Sb203掺杂量x<0．02时不改变基体的钙钛矿结构；在O．02≤X≤0．04时，出现了第二相。Sb具有可变化合价，能形成“施主”和“受主”两种掺杂而起到“软化”或“硬化”的作用。当Sb203掺杂量在x≤0．005时，陶瓷的压电常数d33、介电常数￡T3随Sb203掺杂量的增加有所提高，机械品质因数Qm降低，此时Sb203表现出了软性添加物的特征。x>0．005时，随着8b203掺杂量的增加，Qm增大，kD降低，从而又表现出了硬化掺杂的特性

4、。同时，过量的Sb203掺杂(0．02≤X≤0．04)，诱使BNBKT9．xSb陶瓷室温下的反铁电微畴的形成，导致铁电性和压电性的骤减。本文研究了CuO添加对BNBKT9．0．5Sb陶瓷低温烧结及其电学性能的影响。添加少量CuO可使该体系在烧结过程中产生液相，从而使烧结温度降至10600C，比未添加时降低了约100oC，此时样品密度可达理论值的98％。CuO的添加增大了陶瓷的介电损耗tan6，表明陶瓷的离子电导增大；低频下高Cu含量的陶瓷的界面极化作用对介电常数有贡献。同时，CuO的添加起到硬性掺杂作用，对压电

5、性能的影响规律如下：CuO的添加降低了陶瓷的压电常数d33和机电耦合系数k。，提高了机械品质因数Qm。关键词：无铅压电陶瓷；准同型相界(MPB)；弛豫型铁电体；“施主"和“受主"掺杂；低温烧结CompositionalDesignandModificationofBNBKTLead-freePiezoelectricCeramicsABSTRACTSodiumbismuthtitanate(Bi0．5Na0．s)Ti03(BNT)，whichhasstrongferroelectricpropertiesatr

6、oomtemperature，isakindofA-siteperovskite—typeferroelectricwithrelativelyhighCurietemperature320oCandlargeremanentpolarization381xC／cm2．Therefore，BNT．basedlead—freeceramichasbeenconsideredtobeoneofthemostpromisingcandidatematerialsforlead—basedceramicsatthead

7、vantagesofexcellentelectricalpropertiesandenvironmentfriendly．Inthispaper，lead-free(1-x)(o．968Bi0．5Na0．5Ti03—0．032BaTi03)-xBi0．5Ko．5T103(BNBKTx)ternarysystempiezoelectricceramicsweredesiginedbylinearcombinationrule，andoptimizedbydopingandreducingthesintering

8、temperature．BNBKTxceramicswerepreparedbyconventionalsolid-statereactionmethod．TheXRDresultsshowthatallBNBKTxceramicshavepurepervoskitestructureandtheMPBisloacatedatthecompositionrangeofO．08≤x≤0．