摘要
本课题组的前期工作表明,钙钛矿结构PbTiO3-Bi(Zn1/2Ti1/2)O3-BiFeO3(PT-BZT-BF)三元固溶体作为高温压电材料具有很大的潜力。其居里温度高达700oC,并且因近零热膨胀系数而不存在陶瓷易碎的问题,同时漏电流较低可以进行极化处理。然而压电性能较低,d33~2pC/N。受到Pb(Zr,Ti)O3在其准同型相界处获得高压电性能的启示,本论文通过晶相结构的研究寻找PT-BZT-BF的结构相界,并希望在相界处得到高压电性能。 本论文通过固相反应法制备不同BZT含量(0.10-0.30)的xPT-yBZT-(1-x-y)BF陶瓷样品。XRD结构分析表明,固定BZT含量,随着PT含量的降低,材料的晶相结构从四方相转变为三方相/四方相共存。本文定义具有较宽的两相共存组分范围且c/a在相变组分附近具有最大值的多元固溶体的四方相边界为共存相界(CoexistentPhaseBoundary,CPB)。本文确定了PT-BZT-BF的CPB和三方相界组分,并结合文献中BF-PT、BZT-PT和BF-BZT的数据,建立了PT-BZT-BF的结构相图。初步测试表明样品具有高居里温度,如CPB组分0.32PT-0.15BZT-0.53BF的居里温度为690oC,d33~2pC/N。 针对PT-BZT-BF陶瓷压电性能低的情况,本文研究了制备工艺对陶瓷结构与性能的影响。0.32PT-0.15BZT-0.53BF的研究表明,相结构和性能随制备条件的变化明显。相同烧结温度的样品,随着预烧次数(时间)的增加,其相结构从四方相向三方/四方相共存转变,三方相含量逐渐增加。而相同预烧次数(时间)的样品,随着烧结温度的升高,其相结构为三方/四方相共存、三方相含量逐渐减少。压电性能测试的结果表明,采用合适的制备条件,使相结构进入三方相/四方相共存区,电畴转向更加容易,即可以得到较高的压电性能。如5次预烧(5C)740oC保温3h的样品d33=26pC/N,ε33T/ε0=242,tanδ=0.02;5次预烧两步烧结的样品压电性能为TC=560oCd33=36pC/N,ε33T/ε0=301,tanδ=0.018。不同制备条件的样品居里温度差异显著,我们认为是不同制粉工艺得到的粉料颗粒尺寸不同,导致了陶瓷晶粒尺寸的不同、进而引起晶相结构和居里温度的差异。 选取靠近CPB的四方相0.35PT-0.15BZT-0.50BF,研究了La改性0.35PT-0.15BZT-0.50BLxF材料的结构与性能。随着La取代量的增加,相结构在x=0.05附近从四方相转变为三方/四方相共存,且四方相的c/a轴比不断降低。同时,La取代导致居里温度下降,介电常数和压电系数增大。在x=0.05附近,压电系数迅速变大,d33从x=0.02时的3.8pC/N,增大到x=0.05时的43pC/N。当x=0.05时,c/a=1.13,TC=497oC,ε33T/ε0=367,tanδ=0.026,d33=43pC/N,具有良好的高温压电性能。 为了表征PT-BZT-BF陶瓷的实际应用性能,本文采用0.32PT-0.15BZT-0.53BF替换市场上压电加速度计的陶瓷片。初步的测试结果表明,加速度计性能与国外商业化同类产品的性能相当。 最后,对于本论文研究中存在的问题及进一步的研究方向做了简要的讨论。
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