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铌镁酸钡掺杂对钛酸钡钙基无铅压电陶瓷结构及性能的影响

摘要

压电陶瓷具有将电能与机械能相互转化的能力，已经在医疗，汽车，数

码通讯乃至公共安全等方面成为人类不可或缺的一种功能性陶瓷。弛豫铁电

体由于其低损耗，高能量存储和大的电致伸缩，常常作为电容器以及传感器

等元件。Pb(MgNb)O(PMN)是最典型的弛豫铁电体，常常被用来掺杂修

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饰其他铁电体来改善性能，比如(1-x)Pb(MgNb)O-xPbTiO。目前综合性

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能最好的压电陶瓷仍是以铅基陶瓷为主。近年来，由于全球环保意识的增强，

铅基陶瓷在制造生产，使用到废弃的过程中都会对环境以及人的健康都有很

大的影响。因此，发展无铅的压电陶瓷成为时代需求。Ba(MgNb)O(BMN)

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作为一种无铅弛豫体，可以用来修饰其他压电陶瓷来提升性能。

本文主要是以BaTiO3为基体，在其基础上先后掺杂Ca2+和BMN，采用

传统固相烧结法制备不同比例的BaCaTiO(BCTx)基压电陶瓷，利用

(1-x%)x%3

X射线衍射仪（XRD），扫描电子显微镜（SEM），介电温谱测试仪，电滞回

线测试仪以及准静态压电系数测试仪等设备从相结构，微观结构，介电性能，

铁电性能，压电性能以及储能性能多个角度来研究铌镁酸钡掺杂对钛酸钡钙

基无铅压电陶瓷的结构及性能的影响。得出如下结果：

首先，选用1300℃，1350℃和1400℃三个烧结温度来烧结BCTx陶瓷

(x=4，6，8和10)，烧结温度对陶瓷的晶粒生长以及密度的提高具有重要的

影响，进而影响陶瓷的介电、铁电等性能。1400℃烧结的陶瓷的晶粒明显增

大，且介电稳定性也得到了提高。

其次，选用1400℃，3小时的烧结工艺烧结BCTx体系陶瓷（x=4~25），

Ca2+的引入可以明显的抑制晶粒的生长，并对电学性能产生明显影响，适量

的Ca2+掺杂可以降低居里温度，提高介电损耗的频率依赖性，增加剩余极化

和矫顽场，降低BCTx的压电性能。25%掺杂量使得Ca2+超过固溶极限，从

而使得微观结构出现缺陷，电学性能都出现不同程度的降低。

最后，选用BCT20作为基体，在其中引入弛豫铁电体BMN，形成新的

固溶体(1-x%)BaCaTiO-x%Ba(MgNb)O(BCT20-x%BMN)(x0~8)。

80%20%31/32/33

研究结果表明，BMN的掺杂成功引入弛豫性能。其中陶瓷的相结构从四方

相逐渐向立方相转变，进而引起的介电性能的明显变化，包括居里温度降低，

室温介电常数大幅度增加，频率色散增加，扩散系数提高等。另外，铁电性

能随着BMN的引入也发生了明显的变化，室温时的电滞回线明显变得“窄

细”，储能性能在x=6时达到最大值。通过测量不同温度下的电滞回线得出，

BMN的引入可以提高储能性能的稳定性，其中BCT20-6%BMN和BCT20-

7%BMN在20℃~150℃范围内的储能效率（η%）变化较小，且整体保持在

80%以上，表现出最佳的储能效率温度稳定性。

关键词：

无铅压电陶瓷，弛豫铁电体，介电性能，储能性能

EffectofBariumMagnesiumNiobateDopingontheStructure

andPropertiesofBariumCalciumTitanate-basedLead-Free

PiezoelectricCeramics