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铌镁酸钡掺杂对钛酸钡钙基无铅压电陶瓷结构及性能的影响
摘要
压电陶瓷具有将电能与机械能相互转化的能力,已经在医疗,汽车,数
码通讯乃至公共安全等方面成为人类不可或缺的一种功能性陶瓷。弛豫铁电
体由于其低损耗,高能量存储和大的电致伸缩,常常作为电容器以及传感器
等元件。Pb(MgNb)O(PMN)是最典型的弛豫铁电体,常常被用来掺杂修
1/32/33
饰其他铁电体来改善性能,比如(1-x)Pb(MgNb)O-xPbTiO。目前综合性
1/32/333
能最好的压电陶瓷仍是以铅基陶瓷为主。近年来,由于全球环保意识的增强,
铅基陶瓷在制造生产,使用到废弃的过程中都会对环境以及人的健康都有很
大的影响。因此,发展无铅的压电陶瓷成为时代需求。Ba(MgNb)O(BMN)
1/32/33
作为一种无铅弛豫体,可以用来修饰其他压电陶瓷来提升性能。
本文主要是以BaTiO3为基体,在其基础上先后掺杂Ca2+和BMN,采用
传统固相烧结法制备不同比例的BaCaTiO(BCTx)基压电陶瓷,利用
(1-x%)x%3
X射线衍射仪(XRD),扫描电子显微镜(SEM),介电温谱测试仪,电滞回
线测试仪以及准静态压电系数测试仪等设备从相结构,微观结构,介电性能,
铁电性能,压电性能以及储能性能多个角度来研究铌镁酸钡掺杂对钛酸钡钙
基无铅压电陶瓷的结构及性能的影响。得出如下结果:
首先,选用1300℃,1350℃和1400℃三个烧结温度来烧结BCTx陶瓷
(x=4,6,8和10),烧结温度对陶瓷的晶粒生长以及密度的提高具有重要的
影响,进而影响陶瓷的介电、铁电等性能。1400℃烧结的陶瓷的晶粒明显增
大,且介电稳定性也得到了提高。
其次,选用1400℃,3小时的烧结工艺烧结BCTx体系陶瓷(x=4~25),
Ca2+的引入可以明显的抑制晶粒的生长,并对电学性能产生明显影响,适量
的Ca2+掺杂可以降低居里温度,提高介电损耗的频率依赖性,增加剩余极化
和矫顽场,降低BCTx的压电性能。25%掺杂量使得Ca2+超过固溶极限,从
而使得微观结构出现缺陷,电学性能都出现不同程度的降低。
最后,选用BCT20作为基体,在其中引入弛豫铁电体BMN,形成新的
固溶体(1-x%)BaCaTiO-x%Ba(MgNb)O(BCT20-x%BMN)(x0~8)。
80%20%31/32/33
研究结果表明,BMN的掺杂成功引入弛豫性能。其中陶瓷的相结构从四方
相逐渐向立方相转变,进而引起的介电性能的明显变化,包括居里温度降低,
室温介电常数大幅度增加,频率色散增加,扩散系数提高等。另外,铁电性
能随着BMN的引入也发生了明显的变化,室温时的电滞回线明显变得“窄
细”,储能性能在x=6时达到最大值。通过测量不同温度下的电滞回线得出,
BMN的引入可以提高储能性能的稳定性,其中BCT20-6%BMN和BCT20-
7%BMN在20℃~150℃范围内的储能效率(η%)变化较小,且整体保持在
80%以上,表现出最佳的储能效率温度稳定性。
关键词:
无铅压电陶瓷,弛豫铁电体,介电性能,储能性能
EffectofBariumMagnesiumNiobateDopingontheStructure
andPropertiesofBariumCalciumTitanate-basedLead-Free
PiezoelectricCeramics
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