论文部分内容阅读
近年来BaTiO3基无铅压电陶瓷因其压电性能的显著提升而备受关注。通过Ca2+和Sn4+离子共同改性的(Ba,Ca)(Ti,Sn)O3压电陶瓷由于在室温时具有两相或多相共存的相结构而表现出优异的压电性能(d33>400pC/N),但其烧结温度(TS)普遍在1450℃以上,这在一定程度上限制了其实际应用,因而有必要在保证其优异压电性能的同时降低其致密化TS。本文采用传统固相烧结法制备了Li2CO3、 Li2O、 CuO、 CuO-B2O3掺杂的(Ba0.95Ca0.05)(Ti0.90Sn0.10)O3(BCTS)以及CuO掺杂的Ba(Ti0.90Sn0.10)O3(BTS)压电陶瓷。研究了烧结助剂种类、含量及TS对BCTS、 BTS压电陶瓷相结构和电学性能的影响。当Li2CO3的掺杂量高于2mo1%时,BCTS陶瓷的致密化TS降低至1300℃。Li2CO3掺杂的BCTS(BCTSLi2x)陶瓷样品在室温时均为R-T相共存结构,且R-T相的比例随Li2CO3掺杂量的增加而降低。由于晶粒尺寸的长大、密度的提高和R-T相比例的变化,BCTSLi6陶瓷样品表现出优异的压电性能：d33=485pC/N和kp=39%。当Li20的掺杂量高于2mo1%时,BCTS陶瓷的致密化TS降低至1300℃。Li2O掺杂的BCTS(BCTSLix)样品在室温时均为R-T相共存结构,且R-T相的比例随Li20掺杂量的增加而降低。随着TS由1300℃提升至1450℃,由Li+离子取代Ti4+或Sn4+离子产生的氧空位逐渐减少,由高温时空气中氧供应不足引起的氧空位逐渐增多,氧空位总浓度则先降低后升高。1300-1450℃烧结的BCTSLi4陶瓷样品在室温时均为R-T相共存结构。由于R-T两相合适的比例,1350℃烧结的BCTSLi4陶瓷样品表现出优异的压电性能:d33=578pC/N和kp=39%。2mol%CuO的引入可将BCTS(BCTSCu2)陶瓷的致密化TS降低至1150℃。随着TS的提高,BCTSCu2陶瓷的室温相结构由1150-1200℃时的R-T两相共存变为1250-1450℃时的菱方-四方-赝立方相(R-T-PC)三相共存。由于R-T-PC三相合适的比例,1300℃烧结的BCTSCu2陶瓷样品表现出优异的压电性能：d33=735pC/N和kp57%。0.5mol%CuO的引入将BCTS的致密化TS降低至1200℃。随着B203掺杂量的增加,B3+离子优先进入钙钛矿结构的四面体间隙,再进入02-和Ti4+离子之间的间隙和氧空位的位置。由于R-T相合适的比例,BCTSCU0.5B1.4陶瓷样品表现出较好的压电性能：d33=360pC/N和kp=30%。1mol%CuO的引入将BTS(BTSCu1)陶瓷的致密化TS降低至1200℃。1200-1300℃烧结的BTSCu1陶瓷室温时均为R-T两相共存,其d33为250-360pC/N；1350-1550℃烧结的BTSCu1陶瓷室温时均为R-T-PC三相共存,其d33为500-650pC/N。由于室温时R-T-PC三相合适的比例,1450℃烧结的BTSCu1陶瓷样品表现出优异的压电性能：d33=650pC/N和kp=52%。相较于纯的致密BTS陶瓷,压电性能提高110%。BTSCu1和BCTSCu2压电陶瓷的室温压电性能可与PZT-5H压电陶瓷的压电性能相媲美,d33分别达到650和735pC/N。 BCTSCu2压电陶瓷兼具高的d33和低的TS,表明其是取代铅基压电陶瓷的理想无铅压电陶瓷之一。