摘要
Pb(Zr,Ti)O3(PZT)基陶瓷由于在准同型相界(MPB)区域表现出显著增强的压电特性而主导着全球压电材料市场。然而，随着20世纪后期世界环保意识的增强，传统PZT陶瓷的大规模应用受到限制，所以无铅压电陶瓷得到了广泛的关注和重视。BiFeO3-BaTiO3基陶瓷兼具高居里温度和高压电性，已成为近年来无铅压电陶瓷领域的研究热点之一。本文从BF-BT基陶瓷的准同型相界入手，研究了应用于驱动器领域的电应变性能和应用于能量存储领域的储能性能。 研究了(1-x)BF-xBT(BF-xBT)(x=0.25~0.4)陶瓷的化学组成、结构和电性能之间的关系。随着BT含量的增加，陶瓷的物相结构从三方相逐渐向四方相转变，三方相从x=0.25时的95.54%减少到x=0.4时的17.14%，并且当x=0.3时，三方相(53.6%)与四方相(46.4%)含量基本相等。随x增加，陶瓷样品的晶粒尺寸减小，居里温度持续降低。陶瓷的压电和铁电性能在准同型相界区域内获得了显著提升。0.7BF-0.3BT陶瓷样品表现出优异的压电性能和良好的铁电性能：压电常数d33=165pC/N，平面机电耦合系数kp=0.31，剩余极化强度Pr=23.5μC/cm2，电致应变S=0.21%。 研究了0.7BF-0.3BT-xSnO2(x=0,0.2%,0.4%)陶瓷的晶体结构、微观形貌、介电、铁电及应变性能。随SnO2含量增加，陶瓷样品经历了从(R-T)两相共存到(R-T-Pc)三相共存，最终到(R-Pc)两相共存。三相共存的结构对陶瓷的电性能有明显的促进作用。当SnO2掺杂量x=0.2%时，Pmax=35.8μC/cm2，Pr=25.8μC/cm2，并诱导了非对称的应变曲线。陶瓷样品经极化、老化处理后，获得显著增强的电致应变，S=0.7%，d33*=1166pm/V，增强的应变响应来源于多相共存及缺陷偶极子产生的内偏场的共同作用。 研究了(0.7-x)BiFeO3-0.3BaTiO3-xBa(Sn0.11Ti0.89)O3(x=0,0.1,0.2,0.3)陶瓷的微观结构、介电性能、应变及其储能特性。从XRD和SEM分析中可以看出，随着BST掺杂量的增大，样品由三方与四方共存相转变为伪立方相主导的结构，且晶粒平均尺寸也随之减小。随着BST含量的增加，材料的介电常数降低，弛豫性得到加强。同时，陶瓷的剩余极化强度(Pr)降低。当x=0.1时，陶瓷样品表现出极强的应变响应，70kV/cm电场下S=1.5%，d33*=2150pm/V，超过了已报道的绝大多数无铅陶瓷电应变值。而当x=0.2时，陶瓷的最大极化强度Pmax=34.77μC/cm2，Pr=4.22μC/cm2，对应的储能密度W=1.8J/cm3，有效储能密度Wre=1.4J/cm3,储能效率η=76.6%。(0.7-x)BF-0.3BT-xBST陶瓷体系表现出优异的应用前景。
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