Gd^(3+)掺杂调控BiFeO_(3)-BaTiO_(3)高温无铅压电陶瓷的结构与性能

用于监测航空发动机、重型燃气轮机等重大技术装备高温部件振动状态的压电加速度传感器,需要一种高居里温度压电陶瓷作为敏感元件,而电子元器件的无铅化是环境保护的迫切要求。采用传统的固相反应法制备一种Gd/Mn共掺杂的BF-BT((0.67BiFeO_(3)-0.33Ba_(1-x)Gd_(x)TiO_(3))+0.5%(质量分数)MnO_(2),x=0~0.02)高温无铅压电陶瓷,并研究Gd^(3+)掺杂浓度(x)对BF-BT陶瓷的相组成、微观结构、压电性能、介电弛豫行为及交流阻抗特征的影响。结果表明:所有样品均为单一钙钛矿结构,三方相(R)和四方相(T)共存,且T相含量随x增加而增加;适量的Gd^(3+)(x<0.02)固溶进入钙钛矿点阵之中能够促进BF-BT陶瓷晶粒的生长。掺杂Gd^(3+)的样品表现出增强的弛豫相变行为,相变温度(T_m)随x的增加而减小,而介电弛豫程度(ΔT_(relax))随x的增加而增大。采用R-CPE等效电路模型对BF-BT陶瓷的高温复阻抗谱(Cole-Cole图)进行拟合分析,发现样品在高温下的交流阻抗主要来自晶界的贡献。并且随着Gd^(3+)掺杂浓度的提高,样品的介电弛豫激活能不断增大,证实Gd^(3+)取代Ba^(2+)减少了晶格中氧空位浓度的施主掺杂效应。综合来看,x=0.01的样品具有最优的电学性能:T_(C)=425℃,d_(33)=126 pC/N,k_(p)=25.9%,tanδ=0.059,有望作为一种合适的高温压电材料被应用。