论文部分内容阅读
压电材料是一种可将机械能和电能互相转化的高性能材料,压电陶瓷凭借出色的电学性能和简单的制造工艺成为了最常用的压电材料之一。铅基压电陶瓷中占比普遍超过70%的铅元素对人体健康和环境都有着不可逆的损害,所以研究环境友好且在性能上可以替代铅基压电陶瓷的无铅压电陶瓷成为了当下科研工作者们的一项重要课题。锆钛酸钡钙（BCZT）基无铅压电陶瓷是一种新型的高性能无铅压电陶瓷,拥有很高的压电常数,具备替代铅基压电陶瓷的潜力。但较高的烧结温度和较低的居里温度是阻碍其进一步应用的关键因素。本文从当前国内外锆钛酸钡钙体系陶瓷的研究现状入手,采用传统固相烧结法,制备出不同相结构的锆钛酸钡钙基压电陶瓷,并通过金属氧化物Fe2O3的掺杂对陶瓷进行Fe的掺杂改性研究。运用X射线衍射,扫描电子显微镜,介电-温度测试仪,压电测试仪,电滞回线测试仪等仪器设备,研究了相界和离子掺杂对锆钛酸钡钙体系陶瓷结构、形貌、电学及储能性能的影响。主要研究结果如下:（1）采用传统的固相反应法成功制得了x取值为44-56的BCZTx(（1-x）%Ba(Zr0.2Ti0.8)O3-x%(Ba0.7Ca0.3)Ti O3)陶瓷,所有七组BCZTx陶瓷均呈现纯钙钛矿结构,晶粒尺寸和样品密度均无明显变化。对该体系陶瓷在室温下的相结构研究表明:BCZT50陶瓷处于准同型相界状态,x取值低于50的BCZTx陶瓷呈现菱方相,x取值高于50的BCZTx陶瓷呈现四方相。BCZT50陶瓷拥有最佳的性能:居里温度98℃,剩余极化强度7.41μC/cm2,矫顽场2.31k V/cm。（2）利用Fe对BCZT44、BCZT50和BCZT56三组陶瓷进行掺杂。结果表明Fe离子可以完全进入陶瓷的晶格结构中并形成固溶体。Fe-BCZTx陶瓷的晶粒尺寸会随着Fe离子掺杂量的增加而逐渐减小。随Fe离子含量的增加,陶瓷样品的居里温度会逐渐降低,2%Fe-BCZTx和4%Fe-BCZTx两组陶瓷样品的居里温度已低于的室温。对掺杂后的陶瓷进行铁电性能的测试,结果表明陶瓷的剩余极化强度会随Fe掺杂量的增加而降低,2%Fe-BCZT50陶瓷拥有最小的矫顽场0.52k V/cm。（3）研究了Fe的掺杂对BCZTx体系陶瓷储能性能的影响。结果表明Fe离子的引入会明显改变BCZTx陶瓷的电滞回线形状。随Fe含量的增加,陶瓷样品的电滞回线逐渐变得窄而细且面积随之减小,剩余极化强度表现出明显的降低。Fe的掺杂可提高BCZTx体系陶瓷的储能能力。在室温下2%Fe-BCZTx陶瓷拥有最佳的储能性能,对三组试样的疲劳试验表明在室温下2%Fe-BCZTx陶瓷随施加电场次数的增加,陶瓷的储能性能无明显变化。2%Fe-BCZT44,2%Fe-BCZT50和2%Fe-BCZT56三组陶瓷的可释放能量密度分别为0.191J/cm3,0.185J/cm3和0.190J/cm3,且储能效率均超过90%。1%Fe-BCZT50陶瓷在50℃-150℃温度范围内储能密度和储能效率变化很小,表现出最佳的储能温度稳定性。