[材料科学]Bi4Ti3O12系高温压电陶瓷材料的制备、结构和性能研究.pdf

摘要 摘要 随着能源、航空、航天、汽车、冶金及石油化工等高新技术的发展，压电陶 瓷材料在高温环境下的应用已成为一个迫切需要解决的问题。锡层状陶瓷材料是 典型的高居里温度压电材料，由于其固有的特点特别适合于高温的工作环境，如 用作高温加速度计、非易失性存储器等。然而秘层状材料的晶体结构决定了其自 发极化转向受二维空间限制，导致该类材料的压电活性较低。以秘层状陶瓷为研 究对象，开发兼具高居里温度、高压电活性、高电阻率的压电陶瓷对高温压电陶 瓷材料的发展具有重要的实用价值;分析锡层状材料的导电机理以提高电阻率， 探讨材料电性能变化的有关因素，则具有一定的理论指导意义。 本论文以Bi4Ti3Ol2(BIT)陶瓷为研究基础，通过离子掺杂进行改性，在保持 该材料高居里温度的前提下，提高材料的高温电阻率，改善压电活性，以期得到 具有实用价值的BIT基压电陶瓷。通过对BIT与其它锡层状化合物的共生，系 统地研究了混合秘层状陶瓷材料的电性能与微结构之间的关系。文中采用XRD, SEM等分析手段对陶瓷材料的结构进行表征，并利用Agilent4294A,d33、电滞 回线测试仪。DSC、热激励退极化方法等对陶瓷的性能进行测试与分析。通过上 述内容的研究得到了以下主要结论: 采用固相反应法、普通烧结工艺制备了高价离子m5+，We+掺杂BIT的BIT-N 和BIT-W系列压电陶瓷。发现适量的Ms+，W6+掺杂并不会改变材料的相结构， 且有效地提高了BIT-N和BITW陶瓷的电阻率，重点分析了掺杂对材料的介电、 铁电和压电性能的影响。对具有良好综合性能的组成BIT-W2通过添加氧化饰来 进一步改善材料的性能。结果表明:Ce离子掺入BITW2后(C-BITW2)材料的压 电性能明显提高，压电系数达到22pCIN，材料的机电祸合系数、机械品质因子 也大大增加，介电常数、损耗和介电常数一温度系数明显减小。综合各种性能比 较，可以得到具有优良性能的BIT基陶瓷材料，有望用于高温环境中。 分析了BIT基陶瓷材料的导电机理，在不同温区，其空穴、氧空位和杂质电 离提供的载流子分别参与电导，即BIT基陶瓷材料的导电类型包括电子电导和离 子电导。不同组成的BIT基陶瓷内部晶粒、晶界、陶瓷/电极界面对复阻抗Z的 BiaTi30i2系高溢压电陶瓷材料的制备、结构和性能研究 作用不同。BIT陶瓷中的晶粒、晶界、界面均对复阻抗有所影响，阻抗以晶界为 主。而在W6+掺杂后，界面作用消失，陶瓷内部晶粒对复阻抗的贡献明显增强。 通过对陶瓷材料热处理，研究了材料内部缺陷偶极子和固有电偶极子对压电性能 的作用机理，发现C-BITW2材料中缺陷偶极子极化对高温压电性能有较大的贡 献，导致材料受热激励后在居里温度前发生明显的退极化。 利用固相法制备Bi7Ti4NbO2l(BTN)和Bi6Ti3WO18(BTW)混合层状结构铁电 陶瓷，研究了它们的品体结构对其介电、压电性能的影响.在BTN的晶体结构 中，2层和3层的类钙钦矿层分别与田眨氏)2十层沿着。轴方向叠加堆积而成。BTN 的介电温谱在6700C和8450C出现介电双峰，材料在这两个温度附近分别发生 了铁电一铁电相变、铁电一顺电相变。而在BTW中，沿着。轴方向表现为含两 层氧八面体的钙钦矿层的有规则排列。同时其介电温谱也表现为仅在7520C出现 一个介电峰，该材料实际上是一个层数为2层的铁电体化合物.系统表征了它们 的铁电、压电性能，并对受热激励后材料钠压电性能变化作了分析，发现缺陷偶 极子极化对BTN材料压电系数的贡献约为10%0 关键词:(混合)秘层状结构铁电陶瓷，BlgT13O12,掺杂，共生，导电机理，缺 陷偶极子 Abstract Preparation,structureandpropertiesofBi4Ti30t2-based tcceram ics layer-structuredhightemperaturepiezoelectr LinaZhang (MaterialsPhysicsandChemistry)