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BT基无铅压电陶瓷的研究及进展.doc

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BT基无铅压电陶瓷的研究及进展.doc

BaTiO3基无铅压电陶瓷的研究及进展BaTiO3型无铅压电陶瓷的发展现况,简单介绍了几个性能较为优良的BaTiO3基陶瓷体系研究现况,尤其是对其进行的改性研究进行了较为详细的阐述。 关键词:钛酸钡;无铅压电陶瓷;压电材料;钙钛矿结构;Ba ( Ti1 – x Zr x) O3 引言 1945年前后,美国、苏联、日本相继发现了钙钛矿型BaTiO3(简称BT)陶瓷具有压电性,该陶瓷压电性的发展极大地促进了压电陶瓷的研究与应用开发。至今为止,BaTiO3陶瓷已经是研究与发展得相当成熟的无铅压电陶瓷[1]。但BaTiO3 陶瓷压电性能居于中等, 难以通过掺杂大幅度改变性能来满足不同的需要; 居里点仅为120 ℃;工作温区狭窄; 在室温附近存在相变; 陶瓷压电性能的温度和时间稳定性欠佳; 烧结一般在1350 ℃且存在一定难度[2]。因此,就目前情况来看,BaTiO3无法取代铅基陶瓷的地位,也还无法满足社会对压电陶瓷的要求。 通过研究发现,以BT陶瓷为基体,加入第二相可以获得完全不含铅的弛豫铁电体[2] [3]。BT系无铅压电陶瓷的主要体系有[4] [5] [6] [7]。 (1) (1- x)BaTiO3-xABO3 (A = Ba、Ca 等;B= Zr、Sn、Hf、Ce 等); (2) (1- x)BaTiO3-xABO3 (A = K、Na;B = Nb、Ta); (3) (1- x)BaTiO3-xA0.5NbO3 (A = Ca、Sr、Ba 等)。 研究结果表明, 某些组分不再出现宏观上的铁电四方→铁电正交相变, 有利于室温应用。对某些配比, 可得到压电特性和铁电弛豫性都好的陶瓷[2]。如Ba(Ti1- x Zrx )O3 基压电陶瓷的d33可达340 pC/N,且工作温区有所拓宽[1]。本文将简单介绍BT基陶瓷研究较为成熟的几个体系。 2 Ba ( Ti1 – x Zr x) O3 (BZT)体系 近二十年来,关于BaTiO3陶瓷的专利申请大约仅有14项,可见通过改性以提高BaTiO3陶瓷的性能有一定的难度。在这些专利中,尤为令人注目的是以Zr取代Ti且添加金属氧化物形成的Ba ( Ti1 – x Zr x) O3 (BZT)体系,其压电性能佳,工作温区较改性前有所拓宽[8][9]。 BZT体系陶瓷因为其优秀的压电实用性而被强烈关注。X射线衍射图表明了该体系形成完整的固溶体,而且其相图也证明了这一看法[10][11]。下面给出Ba(Ti1 – x Zr x) O3 (BZT)陶瓷相图。 图1 Ba ( Ti1 – x Zr x) O3陶瓷中Zr含量x[12] 对固溶体相转变的影响 由图可看出,Ba ( Ti1 – x Zr x) O3陶瓷的距离温度随着x的增大而减小,在x=0.03,0.05,0.08时分别为114 ℃,110 ℃,和100 ℃[13]-[16]。当x=0.03-0.08时,剩余极化强度Pr为13–18 mC/cm2,矫顽场Ec为0.8–3.5 kV/cm;当x=0.15和0.2时,电滞回线变窄,说明Ec越来越小,而且Pr也较x=0.03-0.08时小;当x=0.025和0.3时,电滞回线消失,说明铁电性不复存在。表1给出了Pr、Ec以及d33随x变化变化情况[17][18]。表1 Ba ( Ti1 – x Zr x) O3的Pr、Ec以及d33随x变化情况[12]。 Ba ( Ti1 – x Zr x) O3基陶瓷电致应变在极化强度为40 kV/cm和120 kV/cm分别到达0.18% 和0.25%,机电耦合系数K和压电常数d33在x=0.05时到达最大值56.5% 和236 pC/N[18]。Ba1–x(Sm0.5Na0.5)xTiO3体系 2005年,Ba1–x(Sm0.5Na0.5)xTiO3作为新型铁电ABO3型钙钛矿结构陶瓷被报道。Sm3+离子取代Ba2+离子在晶格中的位置导致四方相或立方相的存在,在0≤x≤0.1和0.5x≤0.6时出现铁电相,当0.2x≤0.4时,出现弛豫铁电体。介电性与A位取代和晶胞大小有关。A位取代率低时有利于铁电顺电相的形成,而取代率较高时则形成弛豫铁电体,当x大于0.5时,体系又转变为铁电相[19]。 通过对该体系进行XRD测试,发现当x=0-3时,陶瓷为四方相,当x=0.4-0.6时,陶瓷又转变为立方相。图2为室温下Ba0.9(Sm0.5Na0.5)0.1TiO3的X射线衍射图谱。 图2 Ba0.9(Sm0.5Na0.5)0.1TiO3陶瓷XRD图谱[19] 通过计算得知,晶格常数a随着x的增大而减小,表2将给出数值变化。 表2 A位平均离子半径和晶格常数与x的关系[19] 在晶胞中,A位阳离子的配位数为12,通过下列公式, , 可以计算出 ?,

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