钛酸铋钠基陶瓷在低压电场下的相变及可逆性研究

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自1880年Nobel laureates和Jacque Curie发现压电效应以来,压电陶瓷已经广泛的应用于材料、化工、航空等各领域。目前,(Pb(Ti, Zr)O3, PZT)类陶瓷是市场上使用得最多的压电陶瓷。但是,由于Pb重金属对环境污染较大,对人体有较大伤害,越来越多的国家开始减少Pb在工业中的使用,对应的无铅压电陶瓷逐渐受到研究者的关注。Bi0.5Na0.5TiO3-Bi0.5K0.5TiO3 (BNT-BKT)是一种钙钛矿型压电陶瓷,不仅具有较高的电耦合系数kp和应变动态常量Smax/Emax,已有研究表明,部分掺杂改性后的BNKT陶瓷的部分电性能已经达到了PZT陶瓷的数量级,除此之外,BNKT陶瓷还具有复杂的相变过程。本文通过传统固相法合成了不同配比的BNT-BKT陶瓷,并进行Nb掺杂,分别置于电场环境下12h,对样品进行物相和形貌等测试,分析晶相的变化。本文以Na2CO3、K2CO3、TiO2和Bi2O3为起始原料,以传统固相法制备不同配比的(1-x)Bi0.5Na0.5TiO3-xBi0.5K0.5TiO3(x=0.18,0.2,0.3,0.4,0.5)陶瓷,在1170℃下烧结。对其进行XRD测试,当x=0.18时,陶瓷晶相表现为三方相,而当x=0.2~0.4时,则同时含有三方与四方晶相,当x=0.5时,陶瓷表现为四方相。将陶瓷在低压直流电场中后,当电场达到一定值时,部分三方相逐渐转变成四方相,当BKT成分的含量比重继续加大,诱导电压会逐渐减小,这可能与实验过程中,x>0.3时,陶瓷发生过烧有关,然而陶瓷在交流电场中并无相变的发生。为了进一步探究低压电压电场诱导相变的原因,本文再分别以不同浓度的Nb掺杂Bi0.5(Na0.8K0.2)TiO3陶瓷,分别探究在低、高浓度掺杂样品在低压电场中的相变现象。本文发现,随着Nb含量的增加,陶瓷样品晶型由三方-四方共存向准立方相转变,并且在Nb浓度达到3mol%时,陶瓷主晶相表现为准立方相。而在低压电场中,Nb含量在低于3mol%掺杂的陶瓷样品衍射峰均有分裂滑移,向准立方相转变,而3mol%掺杂样品衍射峰却没有较明显变化。将电场中发生相变的样品在室温中静置7天后,对其再次进行XRD测试,发现,在(1-x)BNT-xBKT中当x<0.3时陶瓷相变发生自恢复,而过烧后的相变陶瓷(x=0.3,0.4,0.5)不发生自恢复现象,这时由于过烧样品中的空位比例发生变化,在电场作用下使得离子扩散,空位比例修复,形成较稳定的晶型。于此类似的是,在低浓度Nb掺杂的陶瓷样品中相变均没有发生可逆现象,而在高浓度Nb掺杂的样品相变可逆。
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