A位復合離子取代對0.88BNTLLx—BT12陶瓷電性能的影響

蔣家連　周昌榮

摘 要：文章采用傳統兩步法燒結制備了A位復合離子（Li0.5La0.5）2+取代的0.88BNTLLx-BT12無鉛壓電陶瓷，系統的研究、分析A位復合離子（Li0.5La0.5）2+取代對陶瓷樣品的晶體結構、表面形貌、壓電及鐵電等性能的影響。

關鍵詞：無鉛壓電陶瓷；A位復合離子；研究

中圖分類號：TM282 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2018）32-0096-02

Abstract： In this paper， the A-site composite ion（Li0.5La0.5）2+substituted 0.88BNTLLx-BT12 lead-free piezoelectric ceramics were prepared by traditional two-step sintering. The effects of A-site composite ion（Li0.5La0.5）2+substitution on the crystal structure， surface morphology， piezoelectric and ferroelectric properties of the ceramic samples were systematically studied and analyzed.

Keywords： lead-free piezoelectric ceramics； complex ions at A site； study

1 概述

壓電陶瓷作為功能材料，經過近幾十年的發展，已在電子及國防工業中得到廣泛應用，并發揮著極為重要的作用。目前，以含鉛的鋯鈦酸鉛（PZT）系占市場絕大部份額，但鋯鈦酸鉛系的主要成分是PbO，在制備、使用及廢棄處理過程中容易危害環境和人類健康，尋求高性能、環境友好型無鉛壓電陶瓷形勢緊迫。眾多研究表明，BNT基是具有取代鉛基壓電陶瓷的潛力材料之一。然而，純的鈦酸鉍鈉離工業使用還有差距。國內外研究表明，通過摻雜能對BNT進行改性。本文以BNT基壓電陶瓷作為研究對象，從燒結工藝、A位離子取代成分等方面對材料的晶體結構、表面形貌和電學性能進行了系統研究。

2 實驗概述

本文采用傳統的兩步燒結法制備0.88（Bi0.5Na0.5）1-x

（Li0.5La0.5）xTiO3-0.12BaTiO3（縮寫為“0.88BNTLLx-BT12”）陶瓷樣品。根據實驗要求，原材料按計算好的比例稱量，并分別烘烤、球磨24h后，在960℃下預燒4h得到樣品固溶體。將預燒的樣品經研磨后，再經過烘干、研磨、過篩等工藝，進行壓片成型。然后在1200℃溫度下燒結（包括排膠過程）得到壓電陶瓷樣品。使用X射線衍射分析樣品的晶體結構，掃描電鏡觀測樣品的表面形貌、晶粒的生長等情況。陶瓷壓電、鐵電、介電、儲能等性能的研究需經過鍍銀、極化等工藝后用相關設備進行性能測試和分析。

3 結果分析

3.1 晶體結構及表面形貌

圖1為不同含量A位（Li0.5La0.5）2+復合粒子取代得到的陶瓷樣品XRD衍射圖譜。由圖譜可知，各成分點的壓電陶瓷片都形成了單一且穩定的鈣鈦礦結構，表明（Li0.5La0.5）2+已經完全固溶到0.88BNTLLx-BT12晶格中，沒有生成新的晶相。在圖1（b）可以看出，隨著x取代量的增加，晶體機構發生了顯著變化。當x≤0.08時，陶瓷樣品具有四方相結構，當x=0.08時，觀測到峰具有很強的對稱性，此時晶體機構由四方相逐漸向偽立方相轉變。通過掃描電鏡進一步觀察、分析陶瓷的表面形貌和晶粒生長情況，A位（Li0.5La0.5）2+復合粒子取代量的變化對晶粒的大少有明顯的影響。當0.02≤x≤0.08時，晶粒的平均尺寸隨著A位離子取代量的增加而增加，由2.64μm增長至4.59μm；當x≥0.10時，晶粒的平均尺寸隨著A位離子取代量的增加而減少，由3.97μm降至2.96μm。

3.2 壓電性能

圖2為不同含量A位（Li0.5La0.5）2+復合離子取代得到的陶瓷樣品的壓電常數、平面機電耦合系數kp的變化規律。從圖3我們可以看出，陶瓷樣品的壓電常數隨A位取代量的增加呈現先增加后減少的規律。當0.02≤x≤0.06，隨x增加，壓電常數從77pC/N增加到最大值134pC/N；之后隨著x的增加，壓電常數急劇減少，當x=0.14時，壓電常數僅有14pC/N。對于平面機電耦合系數kp存在先緩慢增加之后迅速降低的規律，當x≤0.08時，隨著x的增加，kp逐漸增大，直至x=0.08時達到0.18，隨后迅速降低。樣品的d33、kp沒有在同一成份點達到最大值，導致這一現象的原因主要是由相的穩定性、缺陷濃度及晶粒大小等的共同作用。

3.3 鐵電性能

圖3（a）、（b）分別為陶瓷樣品在室溫、頻率為1Hz、同一電場、40kV/cm條件下測得的不同成分的電滯回線圖，其中圖（a）為x=0.02、0.04、0.06、0.08的電滯回線圖，圖（b）為x=0.10、0.12、0.14的電滯回線圖。由圖3（a）可知，隨著x含量的增加，其電滯回線的形狀出現明顯的變化。當0≤x≤0.08時，由肥胖“矩形”逐漸向“瘦-長”型轉變，可知具有優異的鐵電性能，其中Pr（max）=34.33？滋C/cm2；當0.01≤x≤0.14時，電滯回線圖出現了突變，電滯回線形狀變得傾斜、瘦長，鐵電性能減弱。說明x=0.10～0.14的樣品的鐵電性較弱。進一步分析發現，鐵電回線的形狀變得細長，Ps與Pr之間差值明顯，該陶瓷樣品表現出較明顯的儲能特性。

4 結束語

本文系統研究、分析了A位復合離子（Li0.5La0.5）2+取代（Bi0.5Na0.5）2+對陶瓷樣品晶體結構、表面形貌、壓電及鐵電等性能的影響。主要結論如下：

（1）0.88BNTLLx-BT12陶瓷樣品在研究范圍內，7個成份點均表現出純的鈣鈦礦結構。根據XRD衍射圖譜，在x=0.06～0.08區間內，陶瓷樣品存在四方相與偽立方相的相變轉變區域。同時，隨著取代量的增加，陶瓷樣品的平均晶粒尺寸呈現先增大后減少的變化規律，在x=0.08，平均晶粒尺寸達到最大4.59μm。

（2）隨x的增加，0.88BNTLLx-BT12陶瓷樣品的壓電

常數變化規律明顯，先增大后減少。當x=0.06，樣品的壓電常數達到最大值134pC/N。

（3）當x≥0.10時，陶瓷樣品表現出了儲能特性。

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