多铁材料掺杂BNT基无铅压电陶瓷的制备及性能研究

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PZT铅压电陶瓷长期以来占据着压电陶瓷材料的重要地位,随着社会的进步,人们环保意识的增强,研究和开发具有高性能的无铅压电陶瓷是一个具有重要意义的研究课题。Bi0.5Na0.5TiO3(BN T)压电陶瓷因其优异的压电和介电性能成为铅基压电陶瓷的最具潜力的替代品之一。  本研究主要内容包括:⑴通过多铁材料Sr3CuNb2O9掺杂对BNT-BT6.5无铅压电陶瓷得到单一的钙钛矿结构,通过铁电分析,当x=0.003,外加电场为60kV/cm时,矫顽场和剩余极化强度分别为18.41kV/c m和29.11μC/cm2并且陶瓷样品具有最大的单极应变系数Smax=0.29%和最大的等效压电常数d*33=483pm/V。⑵0.994BNTBT-0.006SCN陶瓷具有优异的储能性能以及明显的弛豫行为。通过电滞回线对储能分析,随着外加电场的增加,样品的电滞回线的最大极化强度呈非线性增加。外加电场由20kV/cm增加到60k V/cm,最大极化强度由7.5μC/cm2增加到34.05μC/cm2。当外加电场为60 kV/c m时,储能密度W1为0.62J/cm3,储能效率η为0.54。⑶通过多铁材料BiMnO3掺杂对BNT-BT6.5无铅压电陶瓷得到单一的钙钛矿结构,多铁材料BiMnO3的掺入明显的促进了晶粒的生长,并且使晶界更加明显,晶粒饱满圆润,气孔减少,陶瓷致密度增加。当x=0.015时,压电常数d33取得最大值210 pC/N,机电耦合系数Kp同为最大值为0.41,介电常数取得最大值1880,介电损耗最小0.020。通过弛豫行为分析,认为陶瓷内部存在弥散相变,并且陶瓷内部弛豫转变就是弥散相变。⑷采用复合离子(Fe1/2Ta1/2)4+对BNT-BT6.5无铅压电陶瓷B位取代,所有的样品均形成单一纯的钙钛矿结构。通过 SEM分析,随着 FT掺杂量的增加,晶粒尺寸先增大后减小,并且晶界逐渐明显,气孔减少,形成致密度较高的压电陶瓷。当x=0.006时,晶粒尺寸最大,3μm~6μm,并且晶界明显,晶粒大小均匀,没有气孔。通过电学性能分析。当x=0.006时,综合性能最佳:d33=225 pC/N, Kp=40%,ε=1500, tanθ=0.025。通过铁电性能分析,随着FT掺杂量的增加,矫顽场逐渐降低,剩余极化强度先增加后降低。当 x=0.006时,Ec=30kV/cm, Pr=33.19μC/cm2。⑸BNT-BT6.5-PZT复合压电陶瓷通过XRD分析,当PZT掺杂量小于0.09时,样品均形成单一纯的钙钛矿结构, PZT完全进入BNT-BT6.5的晶格内。通过SEM分析,随着PZT含量的增加,晶粒尺寸逐渐增大,晶粒的尺寸的均匀性也有所提高,气孔逐渐减小,致密度增大,并且出现棱角分明的晶粒,提高陶瓷性能。压当x=0.06时,综合性能最佳:d33=195pC/N,Kp=40%,ε=1734,tanθ=0.026。BNT-BT6.5-PZT基复合压电陶瓷的研究是一个具有研究价值的研究方向。
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