施主掺杂BT-BNT陶瓷的制备及其PTC性能研究

采用溶胶凝胶法及固相法制备了A位和B位施主掺杂的(1-x)Bi0.5Na0.5TiO3-xBaTiO3(BT-BNT)陶瓷,对其介电和阻温特征进行了研究。结果表明,当BNT含量由5mol%增至40mol%时,陶瓷的居里温度由144℃逐渐增高至185℃。A位施主掺杂陶瓷表现出V型PTC特性。B位施主掺杂样品具有典型的PTC特性。当BNT加入量为5mol%、Nb2O5的掺入量为0.15mol%时,陶瓷的升阻比达到316。

K_(0.5)Na_(0.5)NbO_(3)掺杂对0.94Bi_(0.5)Na_(0.5)TiO_(3)-0.06BaTiO_(3)陶瓷储能性能的影响

采用传统固相反应法制备了K_(0.5)Na_(0.5)NbO_(3)(KNN)掺杂的无铅介电储能陶瓷BNT-BT-KNN,其组分配比为0.94Bi_(0.5)Na_(0.5)TiO_(3)-(0.06-x)BaTiO_(3)-xK_(0.5)Na_(0.5)NbO_(3)(BNT-BT+xKNN,x=0.00~0.04),并研究了KNN掺杂对BNT-BT基陶瓷材料晶相、微观结构、介电、铁电性能及储能的影响。结果表明:在1150℃温度下烧成后的陶瓷样品具有纯的钙钛矿结构,且样品的晶粒均匀致密;介电温谱显示,添加KNN后的BNT-BT铁电陶瓷在T_(m)处的介电峰进一步宽化,表现出更好的温度稳定性和弛豫性;同时随着KNN掺杂量的增加,样品的电滞曲线(P-E曲线)逐渐由“宽胖型”向“细长型”转变,样品的剩余极化强度(P_(r))逐渐降低,从而进一步提高了BNT-BT陶瓷的储能性能。在2 kV/mm的场强下,x=0.03时测得样品的储能密度最佳W_(rec)=0.048 J/cm^(3),对应的储能效率η=43%,显示该材料在储能电容器上具有良好的应用潜力。

无铅压电陶瓷的研究进展

压电陶瓷已被广泛应用于航空航天、舰艇声纳、高速列车、汽车、精密仪器控制、移动通讯、办公及家用电子产品等领域,在全球已经形成了每年近百亿美元的巨大市场。然而,目前压电产业主力产品为对人体及环境有害的锆钛酸铅(PZT)陶瓷。随着国际上对电子产品中使用含铅等有害材料的限制愈来愈严格,拥有巨大市场的压电陶瓷的无铅化已成为摆在全球面前的紧迫任务。准同相界(MPB)是获得高压电性能的关键所在,现已开展了大量的研究工作,旨在揭示MPB的物理本质并基于MPB原理获得具有大压电效应及电致应变的环境友好型压电陶瓷。综述了3类性能最优的无铅压电材料体系:钛酸钡基(BT)、铌酸钾钠基(KNN)和钛酸铋钠基(BNT)陶瓷,包括近年来在压电理论及实验方面的代表性研究进展。

钛酸钡系无铅压电陶瓷的研究进展

钛酸钡(BaTiO_3)压电陶瓷具有优异的电性能和低污染性,长期以来是人们重点研究的对象。本文综述了近年来BaTiO_3系无铅压电陶瓷研究开发的几种体系与进展,着重介绍了BT-BNT和BT-BKT二元系无铅压电陶瓷的结构及性能。同时对BaTiO_3系无铅压电陶瓷的发展趋势作了评述。

BNT-BT和BNT-BKT基无铅压电陶瓷研究进展

综述了Bi0．5Na0.5 TiO3-BaTiO3系和Bi0．5Na0．5TiO3-Bi0.5K0.5TiO3系无铅压电陶瓷的最新研究进展。总结了各种添加剂对这两种无铅压电陶瓷体系压电性能的影响机理和规律,介绍了当前以各种工艺对其微观结构和压电性能进行改进的研究成果,并展望了这两种无铅压电陶瓷体系的发展趋势。

直接反应烧结法制备(Bi_(0.5)Na_(0.5))_(1-x)Ba_xTiO_3系无铅压电陶瓷的性能研究

采用直接反应烧结法制备了(Bi0.5Na0.5)1-xBaxTiO3无铅压电陶瓷,研究了陶瓷的压电性能和显微结构。结果表明,直接反应烧结法不影响BNBT陶瓷的钙钛矿相结构,但可使准同型相界处组成的四方相含量增加;直接反应烧结的BNBT陶瓷呈无变形,收缩率稍大于采用传统固相法制成的陶瓷样品,晶粒明显较大,并具有更好的压电介电性能,其中,d33=166pC/N,tanδ=0.03。

具有“芯-壳”及纳米畴结构的X9R型钛酸钡基陶瓷介电性能研究

高容高温是下一代片式多层陶瓷电容器的重要发展方向,因此,开发具有高容高温特性的X9R型钛酸钡基介质材料,对于促进高容高温多层陶瓷电容器的发展具有重要意义。该研究以钛酸钡(BaTiO_(3),BT)为原料,利用传统固相反应烧结法,并通过调节钛酸铋钠(Bi_(1/2)Na_(1/2)TiO_(3),BNT)的基体固溶量和稀土元素铌(Nb)的掺杂量,成功制备出具有较高室温介电常数和较宽容温特性的Nb掺杂BT-BNT介质体系。在此基础上,对X9R型介质材料纳米畴及“芯-壳”结构与介温特性之间的关系进行了研究。实验结果表明,当BNT固溶量为10 mol%,BT-BNT的居里温度为190℃,晶粒具有典型的90°铁电畴;在0.9BT-0.1BNT固溶体中掺杂2.0 mol%的Nb元素,介电常数为1800,损耗<2.0%,容温系数(-55~200℃)≤15%,晶粒形成明显的“芯-壳”结构,其中“芯”部具有小尺寸的纳米尺度铁电纳米畴,“壳”部为Nb均匀分布的BT-BNT固溶体。因此,0.9BT-0.1BNT-2.0Nb陶瓷是一种极具前景的X9R型多层陶瓷电容器用电介质材料。

（1-x）Na0.5Bi0.5TiO3-xBaTiO3压电陶瓷的制备及其性能研究

通过固相合成法制备（1-x）Na0.5Bi0.5TiO3-xBaTiO3（x=0.02，0.06）（BNT-BT）无铅压电陶瓷．通过SEM、XRD等手段对粉体合成过程进行了分析与表征，并利用HP4294网络分析仪、d33准静态测试仪等对固相合成法制备的BNT-BT进行了相关性能研究．粉体的预烧温度为950℃，BNT-BT陶瓷的烧结温度为1150℃。结果表明当x=0．02时，密度为6．01g/cm^3，达到理论密度的99％．d33=122×10^-12C/N．

(Bi_(0.5)Na_(0.5))_(0.94)Ba_(0.06)Ti_(1-x)(Sc_(0.5)Ta_(0.5))_xO_3陶瓷结构与电学性能研究

采用传统固相反应烧结工艺,制备了新型(Bi0.5Na0.5)0.94Ba0.06Ti1-x(Sc0.5Ta0.5)xO3(BNBT-x ST)无铅陶瓷。研究了B位复合离子掺杂含量对BNBT-x ST无铅陶瓷微观结构、铁电、介电、储能、应变性能的影响。结果表明:ST掺杂固溶于BNBT中,并引起晶格畸变;ST掺杂含量的增加引起陶瓷晶粒尺寸先减小后增大;剩余极化和矫顽场随ST含量的增加而降低,储能密度和储能效率先增大后减小,在x=0.05和60 k V/cm场强下获得最大储能密度(0.48 J/cm3);当x=0.03时,最大场致应变为0.33%;介电温谱表明其为弛豫铁电体,ST的掺杂具有一定的压峰和移峰作用。

A位Sm掺杂对0.93Na_(0.5)Bi_(0.5)TiO_3-0.07BaTiO_3陶瓷微结构及电学性能的影响

采用固相反应烧结方法制备了Sm掺杂的[(Na_(0.5)Bi_(0.5))_(0.93)Ba_(0.07)]_(1-x)Sm_xTiO_3(BNBST)无铅介电储能陶瓷,系统研究了Sm掺杂含量对BNBST陶瓷的相结构、微观结构、铁电、介电、储能和交、直流电导的影响。研究结果表明:制备的陶瓷样品具有单一的钙钛矿结构,Sm掺杂固溶于(Na_(0.5)Bi_(0.5))_(0.93)Ba_(0.07)TiO_3基材的晶格A位;晶粒生长被Sm掺杂抑制,平均晶粒尺寸在2μm内,且均匀致密;Sm掺杂显著降低了剩余极化和矫顽场,表现出双电滞回线特性,但饱和极化也略有降低;储能密度和效率随Sm掺杂量增加先增大后减小,在x=0.02和电场为70 kV/cm时获得最大储能密度0.70 J/cm^3,其效率为40%;BNBST陶瓷具有明显的弛豫铁电体特征,其介电常数峰Tm随掺杂量增加而降低且平坦化;BNBST陶瓷的绝缘性有较强的温度依赖性,300℃以下具有良好的绝缘性。

离子对(Nb^(5+)-Cr^(3+))掺杂对0.93Bi_(0.5)Na_(0.5)TiO_(3)-0.07BaTiO_(3)陶瓷微观结构和电学性能的影响

采用固相烧结法制备(Bi_(0.5)Na_(0.5))0.93 Ba 0.07 Ti_(1-x)(Nb_(0.5)Cr_(0.5))x O_(3)(摩尔分数x=0%、0.5%、1%、2%、2.5%、5%)(简称BNBT-x NC)无铅压电陶瓷,研究离子对(Nb^(5+)-Cr^(3+))对0.93Bi_(0.5)Na_(0.5) TiO_(3)-0.07BaTiO_(3)(简称BNT-7BT)陶瓷微观结构、介电、铁电和应变性能的影响。结果表明,所有组分为伪立方相。随着离子对(Nb^(5+)-Cr^(3+))含量增加,BNBT-x NC陶瓷的铁电弛豫特性明显改变,在较低掺杂浓度下(0%≤x≤1%)为非遍历弛豫态,随含量增加(1%≤x≤2%),出现非遍历-遍历弛豫态共存,最后转变为遍历弛豫态(2.5%≤x≤5%);陶瓷从铁电态向弛豫态转变,应变性能先增加后降低,最大应变S max和逆压电常数d*33在x=2%时达到最大,分别为0.22%和431 pm/V。

B位Hf掺杂对0.94Bi0.5Na0.5TiO3-0.06BaTiO3陶瓷结构与性能的影响

以HfO2的形式将Hf元素掺杂到BNBT陶瓷中,采用固相烧结法制备(Bi0.5Na0.5)0.94 Ba0.06Ti1−0.01xHf0.01xO3(100BNBT-xHf,x=0~2.0,摩尔分数)无铅陶瓷,系统研究Hf掺杂对100BNBT-xHf陶瓷晶体结构、显微结构和电学性能的影响。结果表明,所有100BNBT-xHf陶瓷均处于准同型相界区,为纯钙钛矿结构。添加少量HfO2可有效地促进100BNBT-xHf陶瓷的晶粒长大,100BNBT-1.0Hf的平均晶粒尺寸达到2.30μm。从室温环境下测量的电滞回线中发现,随HfO2含量增加,该100BNBT-xHf陶瓷从正常铁电相变为弛豫铁电相再转变为顺电相,其中的100BNBT-1.0Hf表现出优异的铁电性,而100BNBT-2.0Hf陶瓷则具有良好的储能特性,储能效率达到38.23%;在电致应变方面,100BNBT-1.0Hf陶瓷具有高电场应变和大逆压电常数,分别为0.35%和583 pm/V。