Nb、Ta掺杂Na_(0.5)Bi_(4.5)Ti_4O_(15)铋层状陶瓷的性能研究

作者:邵虹;江向平;傅小龙;涂娜;李小红 刊名:压电与声光 上传者:杨永平

【摘要】采用固相烧结法制备了Na0.5Bi4.5Ti4-2xNbxTaxO15(NBTNT-x,0≤x≤0.06)铋层状压电陶瓷材料,研究了不同量Nb、Ta掺入对Na0.5Bi4.5Ti4O15陶瓷结构和电性能的影响。结果表明,所有样品均为单一的铋层状结构。适量Nb,Ta掺入能细化陶瓷晶粒,提高其致密性,降低电导率σ和介电损耗tanδ;同时,居里温度TC随Nb、Ta掺入量的增加而降低,但均高于610℃;当x=0.02时,陶瓷样品电性能最佳,即压电常数d33=17pC/N,机电耦合常数kp=4.19%,kt=18.10%,品质因数Qm=3 527,剩余极化强度Pr=10.50μC/cm2。

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0引言铋层状结构材料(BLSFs)因其无毒无污染,适用于高温、高频领域而受到人们的广泛关注,其化学通式为(Bi2O2)2+(Am-1BmO3m+1)2-,是由类钙钛矿层(Am-1BmO3m+1)2-和铋氧层(Bi2O2)2+沿c方向交替排列而成的[1-2]。Na0.5Bi4.5Ti4O15(NBT)作为一种典型铋层状结构铁电体材料,因其高电阻率、高居里温度(TC655)及良好的抗疲劳性等特点而备受关注,可作为一种制作高温加速度计的材料[3]。纯NBT矫顽场Ec较高,极化率和致密度较低,导致其电性能不佳,阻碍了实际应用。高价B位离子掺杂是有效改善材料电性能的方法之一,它主要通过高价离子来抑制Bi2O3的挥发,减少氧空位,减弱畴钉扎,从而提高电性能[4]。Bobic等[5]研究Nb5+掺杂对Ba-Bi4Ti4O15陶瓷的结构与电性能的影响,发现其晶粒尺寸逐渐减少,密度增大,电性能得到提高。赵明磊等[6]研究发现,Ta5+掺入Sr0.5Bi4.5Ti4O15材料可降低样品的Ec,并同时获得较强的剩余极化强度Pr。但关于B位多元素共掺杂提高压电材料电性能的研究报道较少。因此,本实验通过固相法合成Na0.5Bi4.5Ti4-2xNbxTaxO15(NBTNT-x)陶瓷,并研究Nb5+和Ta5+共同掺杂对NBT陶瓷的结构和电性能的影响。1实验部分采用固相烧结法制备出NBTNT-x(x=0,0.01,0.02,0.04,0.06)铋层状陶瓷材料。以分析纯的Bi2O3(99.0%)、TiO2(99.0%)、Na2CO3(99.8%)、Nb2O5(99.0%)和Ta2O5(99.0%)为反应原料,按相应的化学计量配比进行混合。混合后,放入球磨罐球磨24h,球磨后的原料压成大片在780下预烧4h。冷却后,把预烧好的粉料经充分研磨后再进行二次球磨,并加入PVA进行造粒,在20MPa下压成直径15mm、厚约1.5mm的圆片,最后在1060~1090烧结4h,烧结后的陶瓷样品双面磨平后用烧渗法被银电极,在180的硅油中极化60min,极化后的样品放置24h测试其性能。采用压电常数测量仪(ZJ-3A)测量样品的压电常数d33。通过Agilent4294A型精密阻抗分析仪测量样品的介电性能、平面机电耦合系数kp和厚度机电耦合系数kt。利用X线衍射仪对样品相结构进行分析。采用扫描电镜(SEM)观察样(XRD)品表面的形貌。并用铁电性能测试仪测试样品室温下的电滞回线。2结果与讨论2.1物相结构分析图1为常温下NBTNT-x陶瓷的2在不同范围内的XRD图。图1NBTNT-x陶瓷的XRD图谱由图1(a)可知,所有样品均形成了m=4(m为相邻两铋氧层之间沿c轴方向的氧八面体的层数)的铋层状结构,其最强峰的晶面指数为(119),这与铋层状结构陶瓷最强峰的晶面指数(112m+1)一致[7]。随着x的增加,XRD图谱形状基本未发生改变,无其他杂相产生,表明Nb,Ta的掺入并未改变NBT陶瓷的晶体结构。此外,从图1(b)可看出,随x的增加,样品(119)峰发生低角度偏移,这说明样品晶面间距变大。这可能是因为Nb5+(0.069nm)和Ta5+(0.064nm)的离子半径比Ti4+(0.0605nm)的离子半径大,引起一定的晶格畸变。2.2显微结构分析图2为NBTNT-x(x=0,0.02,0.06)陶瓷样品热腐蚀表面的SEM照片。由图可知,所有样品表面晶粒均具有典型层状结构特征。由于铋层状材料具有各向异性,使烧结时晶粒沿c方向生长驱动力远小于沿a-b方向的,导致晶粒沿直径方向尺寸l远大于沿厚度

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