BiFeO3基高温压电与单相室湿多铁陶瓷的结构、电学及磁学性能研究

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近年来,多铁性材料由于具有特殊的物理性质而被广泛关注。其中,铁酸铋(BiFeO3)作为仅有的室温单相多铁材料被大量研究。BiFeO3具有空间群为R3c的扭曲菱方钙钛矿结构,且同时展现出高的居里温度(TC=830℃)和尼尔温度(TN=370℃)。然而,纯相BiFeO3合成非常困难,且漏电流大,宏观铁磁性弱等,这些制约了BiFeO3材料的应用。本文通过离子(Sm3+)掺杂和化合物(Bi0.5Na0.5TiO3)掺杂两种手段合成BiFeO3基固溶体体系,系统研究了组成和烧结条件对陶瓷晶相结构、微结构、电性能和磁性能的影响。主要研究内容和结论如下:  (1)采用传统陶瓷制备技术成功制备了0.725Bi1-xSmxFeO3-0.275BaTiO3+1mol%MnO2陶瓷,系统研究了组分x和烧结温度Ts对陶瓷晶相结构、微结构、电性能及磁性能的影响。研究表明,该陶瓷随组分变化发生菱方相到四方相的结构转变。SEM图显示,Sm3+离子的掺入抑制晶粒的生长,而烧结温度的升高促进晶粒的生成。随x的增大,d33逐渐减小;x=0.015时,陶瓷具有增强的铁电性(Pr=15.4μC/cm2,Ec=3.41 kV/mm);x=0.09时,陶瓷具有增强的铁磁性(Mr=0.21emu/g,Hc=3.76 kOe)。此外,在烧结温度Ts=960-1020℃时,陶瓷具有良好的铁电性(Pr=12.6-15.4μC/cm2)和铁磁性(Mr=0.11-0.15 emu/g和Hc=3.26-3.76kOe)。  (2)采用传统固相法成功制备了(0.725-x)BiFeO3-0.275BaTiO3-xBi0.5Na0.5TiO3+1 mol%MnO2多铁陶瓷,系统研究了组分对晶相结构、微观结构、介电、压电及多铁性能的影响。当x=0.02时,形成一个菱方相和四方相的准同型相界。介电温谱显示,掺杂Bi0.5Na0.5TiO3后,有两个介电异常峰出现:Tm(~510-570℃)和T2(~720℃)。随x的增大,Tm附近的相变峰逐渐宽化。x=0.02时,陶瓷具有致密度高,电绝缘性好(R=~1.3×109Ω·cm),增强的铁电性(Pr=27.4μC/cm2)和良好的压电性(d33=140 pC/N,kp=31.4%)。少量(x=0.01)Bi0.5Na0.5TiO3掺杂的陶瓷表现出最优的铁磁性(Mr=0.19 emu/g)。  (3)以0.705BiFeO3-0.275BaTiO3-0.02Bi0.5Na0.5TiO3+1 mol%MnO2多铁陶瓷为研究对象,系统研究了烧结温度Ts和保温时间ts对陶瓷的晶相结构、微结构、铁电、压电以及铁磁性能的影响。随烧结温度Ts的升高,发生了菱方相到四方相的相变。在Ts=1000℃时,形成一个菱方相和四方相的准同型相界(MPB)。烧结温度Ts的升高极大地改善了陶瓷的致密度、铁电性能和压电性能,然而保温时间对结构和性能的影响相对较弱。烧结温度Ts从880℃升高到1000℃时,陶瓷的铁磁性能显著增强,剩余磁化增大约4倍。对于该陶瓷最佳的烧结条件是1000℃/2h,伴随有密度高,电绝缘性能好、增强的铁电性(Pr=18.4μC/cm2)、压电性(d33=140 pC/N,kp=31.4%)和铁磁性(Mr=0.099 emu/g)等特点。
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