基于复合离子协同调控的钛酸铋钙基高温压电陶瓷的制备及其压电增强机理研究.pdfVIP

摘要

压电材料是工业生产领域重要的功能材料，它可以用于加速器、换能器、谐

振器和传感器等方面的制造。近几年，随着现代工业对压电材料的需求越来越大，

应用要求也变得愈发苛刻，从起初的常温低频环境逐渐发展成为更加严峻的高温

高频环境，传统的PZT材料很难应对如此极端环境，因此对压电材料的耐高温

高频的要求有所提高，此外，对压电材料的灵敏度要求也有所提高。综合这些方

面的需求，开发一种新型的高温压电陶瓷已经成为迫切且具有重要意义的任务。

铋层状铁电体陶瓷是压电陶瓷的重要一员，它最早由Aurivillius等人发现，

铋层状铁电体(BLSFs)的结构由二维伪钙钛矿层和(BiO)2+层有序共生构成，不

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同于钙钛矿结构，铋层状结构多出一层(BiO)2+层，由于其自身结构的特点，使

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得它具有高居里温度和较强铁电性。CaBiTiO(CBT)压电陶瓷是铋层状压电陶

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瓷中的一员，由于它有着高达790oC的相变温度而受到广泛的关注。但是，受

制于其结构的特点，自发极化被限制在二维平面内，所以它的压电系数很低。其

次，由于铋含量较高，在高温烧结的过程中容易导致铋挥发，从而产生氧空位使

得陶瓷的电阻率非常低，影响其在高温环境中的灵敏度。综合这两方面的因素，

本文通过Ti位复合离子协同调控陶瓷的晶格结构和氧空位浓度，从而达到压电

陶瓷压电性能和其他电性能提升优化的目的。

本文使用传统的固相反应烧结的方法合成出复合离子协同调控的改性CBT

基压电陶瓷，比较不同高价阳离子离子半径、电负性和电子组态等特性对CBT

基陶瓷电性能的影响，分析其中的物理机制，掌握物理规律和调控压电活性以及

其他电性能的方法，合成压电系数大于22pC/N、居里温度高于790oC、400oC

的电阻率高于108Ω•cm、具有良好热稳定性的高温压电陶瓷。

1、论文中制备了Ti位Ta/Mn、Sb/Mn、Nb/Mn复合离子协同调控的改性CBT

基压电陶瓷，探讨掺杂浓度以及不同高价阳离子对陶瓷微观结构、介电性能、压

电性能以及热稳定性能的影响。结果表明，高价阳离子配合Mn2+可以显著提高

CBT基陶瓷的压电活性和电阻率，其中Sb/Mn共掺的CBT压电陶瓷的压电系数

提升到了25pC/N，在目前的研究报道中处于很高的水平，与纯的样品相比提升

了2.5倍，压电性能的提升与晶格结构的优化和氧空位浓度的降低有很大的联系，

并且在电阻率方面更是有了几十倍的提升，尤其是Ta/Mn共掺后将电阻率从

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1.47×10Ω•cm提升到了4.96×10Ω•cm，实现了30倍左右的提升，展现出极高

的电阻率。介电性能方面，每组实验的居里温度都保持在790oC以上，没有对

其造成很大的影响，同时在600oC退火两个小时后，压电系数都保持在初始值

的85%以上，这与缺陷的减少和不稳定的非180o畴的减少密切相关。

2、基于上述思路，我们使用更高价态的W/Cr和Mo/Cr协同调控共同取代

Ti4+，制备了CaBiTi(BCr)O的改性陶瓷，其中B=W，Mo。尝试将压电

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活性再次进行提高，氧空位浓度再次降低，并且其他电性能仍然保持较高水平。

结果表明，更高价态的离子取代可以对压电活性有大幅度的提升，Mo/Cr协同调

控的改性陶瓷的压电系数提升到了25pC/N，但是电阻率只提升了7~8倍左右，

相比于Mn的实验逊色一些；但在热稳定性方面表现突出，两组实验在600°C

温度下退火两小时后，压电系数仍能保持初始值的90%以上；介电性能方面，居

里温度仍然保持在790oC左右。这些结果证明，通过复合离子协同调控的CBT

改性陶瓷在高温压电领域具有