【摘 要】
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铋层状压电陶瓷具有高居里温度以及良好的介电性能,在高温传感器领域具有很好的应用前景。然而,铋层状陶瓷的晶体结构是由绝缘铋氧层包夹着一定层数的氧八面体类钙钛矿层沿着c轴方向有序交替排列而成。由于该结构特性,使得铁电极化反转只能发生在二维的a-b平面内,其高的矫顽场强度使陶瓷难以充分极化,所以铋层状结构陶瓷的压电性能普遍较低(SBN陶瓷的d33=14 p C/N)。而掺杂改性是提高陶瓷电学性能的有效办
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铋层状压电陶瓷具有高居里温度以及良好的介电性能,在高温传感器领域具有很好的应用前景。然而,铋层状陶瓷的晶体结构是由绝缘铋氧层包夹着一定层数的氧八面体类钙钛矿层沿着c轴方向有序交替排列而成。由于该结构特性,使得铁电极化反转只能发生在二维的a-b平面内,其高的矫顽场强度使陶瓷难以充分极化,所以铋层状结构陶瓷的压电性能普遍较低(SBN陶瓷的d33=14 p C/N)。而掺杂改性是提高陶瓷电学性能的有效办法,从微观结构出发选取不同离子对基体陶瓷进行掺杂改性,探索结构与材料性能之间的关系。本论文以Sr Bi2Nb2O9(SBN)陶瓷材料为基体,研究了不同半径离子A位或者B位掺杂改性后Sr Bi2Nb2O9陶瓷晶体微观结构变化与电学性能之间的关系,以期望得到居里温度更高、压电系数更大的SBN基压电陶瓷。本论文主要由三个部分组成:采用Li+与稀土离子对SBN基压电陶瓷进行A位复合掺杂,研究了掺杂稀土离子含量对陶瓷相结构以及晶格畸变的影响,探究微观结构变化和析出第二相对电学性能的影响规律。采用传统固相法制备了Sr0.6-x(Li Lu)x/2Bi2Nb2O9和Sr0.6-x(Li Gd)x/2Bi2Nb2O9陶瓷。随着掺杂离子含量的变化Sr0.6-x(Li Lu)x/2Bi2Nb2O9陶瓷压电性能先升高后降低,在x=0.3时发现在晶界处析出了稀土氧化物,并且析出物使得陶瓷的压电性能得到提高,同时也具有良好的温度稳定性;因此又对SBN基陶瓷进行Li Gd双离子A位复合掺杂,结果表明稀土离子A位掺杂能有效提升SBN基陶瓷的电学性能,与Li Lu掺杂结果一致。制备了A位Bi M(M=Li、Na、K)双离子改性的Sr Bi2Nb2O9(SBN)陶瓷。发现小半径的碱金属离子与Bi3+共掺的Sr0.6(Bi M)0.2Bi2Nb2O9陶瓷获得了较高的压电系数,其压电常数达到了25 p C/N;随着掺杂碱金属离子半径增大,Sr0.6(Bi M)0.2Bi2Nb2O9陶瓷的压电常数呈梯度递减,与此同时掺杂后居里温度也得到了明显提高,同时有着优异的温度稳定性,500℃退火后压电性能保持不变。为进一步提高陶瓷的电学性能,选用综合性能优异的SBLBN陶瓷作为基体,制备了A位铈离子改性的SCBLBN陶瓷。发现随着铈离子的掺杂,极大地提升了SBN基陶瓷的压电性能,同时依旧保持着良好的温度稳定性。制备了Sr0.6Li0.2Bi2.2Nb2-xMnxO9压电陶瓷。探究B位离子掺杂对陶瓷电学性能影响。同时选用高低价混合阳离子对SBLBN陶瓷进行B位掺杂,选取W6+搭配不同半径的低价阳离子(Cu2+、Ni2+、Co3+、Mn4+),探讨随着低价阳离子半径的变化对陶瓷电学性能的影响,同时探索结构变化与性能改变的关系。实验结果表明,不同半径的低价阳离子B位双掺杂,SBLBN压电陶瓷的压电活性得到了有效地提升,Mn4+/W6+组合的掺杂方式使SBLBN基陶瓷的压电性能提高到了32 p C/N,发现晶格参数c/a比值与压电性能成反比关系,500℃退火后仍能保持较高的压电性能,具备良好的温度稳定性。
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