Bi0.5Na0.5TiO3-BaTiO3-KNbO3陶瓷的介电特性及相变行为研究

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Bi(Zn0.5Ti0.5)O3-PbTiO3陶瓷的结构、介电和铁电性质

Bi(Zn0.5Ti0.5)O3-PbTiO3陶瓷的结构、介电和铁电性质摘要通过对Bi(Zn0.5Ti0.5)O3-PbTiO3固相合成，探究固相合成机理与合成方法，探究机构形貌表征的基本方法与手段，探究结构与性能的关系及所用实验手段，了解Bi(Zn0.5Ti0.5)O3-PbTiO3陶瓷的结构、介电和铁电性能。

Ba与Pb同为第六周期元素，Ba为第二主族元素，Pb为第四主族元素。

可以预测两者陶瓷在介电性质，铁电性质等方面可能会有相似之处，现已BaTiO3性质预测PbTiO3性质，并设计实验验证。

关键词：固相合成，离子掺杂，电滞回线总说明1、PbTiO3陶瓷的改性纯的PbTiO3陶瓷很难烧结，但是，在纯PbTiO3陶瓷中添加少量的添加物后，就能够烧结成致密的陶瓷，添加物能起矿化剂的作用，有效降低晶界能，减小自发应变，并固溶于晶格内使材料的物理性质得到改善。

因此，针对实际应用，开展各种添加物的研究十分重要，添加物在PbTiO3陶瓷中的改性作用大体分为如下三种。

(1),等价取代改性一般用Ca、Sr等离子取代Pb离子，制成改性的PbTiO3陶瓷。

其特点是可使材料的居里温度降低，自发应变减小，易于烧结出致密陶瓷。

（2）补偿取代改性一般用Fe、Nb、Ta、Mg、Zn、Ni、In、Mn、Sb和Co等离子取代Ti离子，所得材料的压电性能好，与PZT陶瓷类似。

（3）Pb空位取代改性La、Bi、Nd等添加物对PbTiO3陶瓷的性能有显著的影响，只要少量添加剂即能稳定PbTiO3陶瓷以防止开裂，并使材料容易极化。

上述三种改性方法，一般不单一使用，而是根据对材料性能的要求，采取综合改性措施。

2、改性PbTiO3陶瓷的制备工艺改性PbTiO3陶瓷可采用传统的PZT陶瓷工艺制备，即将原材料混合后，置于600~900度温度下预烧1~2h，球磨粉碎后，加强乙烯醇粘合剂成型，于1100~1240度下烧结成瓷。

为避免PbO挥发，应在密闭条件下烧成。

Bi1／2Na1／2TiO3-Bi1／2Na1／2(Nb2／3Zn1／3)O3-BaTiO3无铅陶瓷压电介电性能

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第２８卷第１期２０年２月０８
桂林电子科技大学学报
ＪｕｎｌｏｉｉＵｎｖｒｉｙｏｅｔｏｉｃｎｏｏｙｏｒａｆＧｕｌｎｉｅｓｔｆＥｌｃｒｎｃＴｅｈｌｇ
无铅压电陶瓷由于具有较好的应用前景以及无
的报道主要是ＢＮＴ与ＰＴＯ３ＳＴｉ，Ｓ。ｂＣｂｉ，ｒＯ３（ｒＰｂａ）
摘
要：用传统陶瓷制备方法，备出新型无铅压电陶瓷，采制并对该体系无铅陶瓷的相结构、电和压电性能进行介
了研究。结果表明：所研究的组成均能够形成纯钙钛矿（Ｏａ型固溶体；ＡＢ）随着ＢＴｉ含量的增加，电系数ｄ。ａＯ。压。先增大后减小。同时陶瓷材料的介电常数一温度曲线显示该体系材料具有明显的弛豫铁电体特征。
ｅｔｓｏｈｅｄｆｅｉｚｅｅｔｉｅａｃｒｖｓｉａｅｒｉｆｔｅｌａ —ｒｅｐｅｏｌｃｒｃｃｒｍｉｓｗｅｅｉｅｔｔｄ．ＰｉｚｅｅｔｉｏｓａｔｄｓｉｃｅｓｄｔｈｘｍｕｅｎｇｅｏｌｃｒｃｃｎｔｎｓｎｒａｅｏｔｅｍａｉｍｖｌｅａｅｅｔｏｄｉｉｎａｕｔｏａＯｓＨｏｖｒｕｔｅｎｒａｉｇｔｅａｕｔｏＴｉｌａｓｔｅａｕｓａｒｓｎｆａｄｔｍｏｎｆＢＴｉ．ｏｗｅｅ，ｆｒｈｒｉｃｅｓｎｈｍｏｎｆＢａＯｓｅｄｏｄ — ｃｅｓｄｄ３ｏｈｅａｃＴｈｕｖｓｏｈｉｌｃｒｃｃｎｔｎｓａｕｃｉｎｏｅｐｒｔｒｎｆｓｈｅａｏｒａｅ３ｆｔｅｃｒｍｉ．ｅｃｒｅｆｔｅｄｅｅｔｉｏｓａｔｓａｆｎｔｏｆｔｍｅａｕｅｍａｉｅｔｔｅｒｌｘｒｃａａｔｒｓｉｓｏｈｅａｉｐｅａｅ．ｈｒｃｅｉｔｃｆｔｅｃｒｍｃｒｐｒｄＫｅｒｓｌａ —ｒｅｐｅｏｌｃｒｃｃｒｍｉｓｉｚｅｅｔｉｎｉｌｃｒｃｐｏｅｔｅ；ｓｄｕ — ｉｍｕｈｔｔｎｔｙｗｏｄ：ｅｄｆｅｉｚｅｅｔｉｅａｃ；ｐｅｏｌｃｒｃａｄｄｅｅｔｉｒｐｒｉｓｏｉｍｂｓｔｉａｅａ

钛酸铋钠Bi0.5Na0.5TiO3(BNT)的制备工艺

钛酸铋钠Bi0.5Na0.5TiO3（BNT）的制备工艺摘要：结合钛酸铋钠Bi0.5Na0.5TiO3（BNT）的性质，介绍了钛酸铋钠Bi0.5Na0.5TiO3（（BNT）的制备工艺。

关键词：钛酸铋钠Bi0.5Na0.5TiO3BNT）制备工艺压电陶瓷是一类极为重要的﹑世界各国竞相研究开发的功能材料，被广泛应用于通信﹑家电﹑航空﹑探测和计算机等诸多领域，是最重要的电子材料之一。

但是现在使用的压电陶瓷材料仍是含铅的，其中铅基压电陶瓷中氧化铅约占原材料总量的70%。

氧化铅是一种有毒物质。

因此，无铅压电陶瓷成为研究的热点。

Bi0.5Na0.5TiO3（缩写为BNT）具有铁电性强、压电常数较大、介电常数小、声学性能好等优良特性，且烧结温度较低，被认为是最具吸引力的无铅压电陶瓷材料体系之一[1]。

一、钛酸铋钠0.5Na0.5TiO3（BNT）的性质钛酸钡（BaTiO3）是最早发现的典型无铅压电材料，其居里温度较低，工作温度范围较窄，压电性能属于中等水平。

当前研究多集中在对钛酸钡进行深度改性，如BT-Nb2O5-Co3O4﹑BT-Nb2O5-ZnO﹑BT-Bi2O3-TiO2均具有平缓的电容量温度特性。

[2]研究表明，上述材料体系的平缓温度特性得益于陶瓷中形成的细晶结构或壳-芯（core-shell）结构[3，4]。

钛酸铋钠Bi0.5Na0.5TiO3（BNT）是1960年Smolensky等[5]首次合成并发现的具有钙钛矿结构的铁电体，同时为A0.5A′0.5TiO3，是钛酸盐系列的典型代表。

BNT在室温下是三方铁电相，在230℃时经历弥散相变转变为反铁电相，在320℃转变为四方顺电相，520℃以上BNT为立方相。

BNT具有弛豫铁电体的特征，具有相对较大的剩余极化强度Pr（38μC/cm）﹑压电系数大（kt，kp约50%）﹑介电系数小（240～340）﹑声学性能好（其频率常数Np=3200Hz？m）和极高的矫顽场（7.5kV/mm）。

铌酸钾钠基无铅压电陶瓷的现状、机遇与挑战

第29卷第1期无机材料学报Vol. 29No. 12014年1月Journal of Inorganic Materials Jan., 2014收稿日期: 2013-10-22; 收到修改稿日期: 2013-10-30基金项目: 国家自然科学基金青年及重点项目(51332002, 51302144); 江西省教育厅科技落地计划(KJLD13076)National Natural Science Foundation of China (51332002, 51302144); Ground Plan of Science and Technolagy in Ji-angxi Province department of Education (KJLD13076)文章编号: 1000-324X(2014)01-0013-10 DOI: 10.3724/SP.J.1077.2014.10002铌酸钾钠基无铅压电陶瓷的现状、机遇与挑战王轲1, 沈宗洋1,2, 张波萍3, 李敬锋1(1. 清华大学材料学院, 新型陶瓷与精细工艺国家重点实验室, 北京100084; 2. 景德镇陶瓷学院材料科学与工程学院, 江西省先进陶瓷材料重点实验室, 景德镇333403; 3. 北京科技大学材料科学与工程学院, 北京100083) 摘要: 近十年来, 铌酸钾钠(KNN)基无铅压电陶瓷一直是国内外的研究热点。

基于笔者的研究工作, 本文从晶体结构、性能优化、制备工艺三个方面总结了KNN 陶瓷的发展现状, 并进而尝试分析了该体系在未来发展中面临的机遇与挑战。

关键词: 无铅压电陶瓷; 铌酸钾钠; 钙钛矿; 铁电体中图分类号: TQ174 文献标识码: A(K, Na)NbO 3-based Lead-free Piezoceramics: Status, Prospects and ChallengesWANG Ke 1, SHEN Zong-Yang 1,2, ZHANG Bo-Ping 3, LI Jing-Feng 1(1. State Key Laboratory of New Ceramics and Fine Processing, School of Materials Science and Engineering, Tsinghua Uni-versity, Beijing 100084, China; 2. School of Materials Science and Engineering, Jiangxi Key Laboratory of Advanced Ceramic Materials, Jingdezhen Ceramic Institute, Jingdezhen 333403, China; 3. School of Materials Science and Engineering, Univer-sity of Science and Technology Beijing, Beijing 100083, China)Abstract: The past decade has witnessed the rapid development of (K, Na)NbO 3 (KNN)-based lead-free piezoceram-ics. The present article reviews the current status of this system, with special emphasis on crystalline structure, piezo-electric performance and processing technologies based on the authors’ research work. In addition, the prospects and challenges are also analyzed according to the authors’ knowledge.Key words: lead-free piezoceramics; (K, Na)NbO 3; perovskite; ferroelectrics压电材料是实现机械能与电能相互转换的一类重要功能材料, 在传感器、驱动器、超声换能器、谐振器、滤波器、蜂鸣器和电子点火器等各种电子元器件方面有着广泛的应用[1]。

（Bi0.5Na0.5）0.935Ba0.065TiO3-xBiScO3陶瓷储能及应变性能研究

（Bi0.5Na0.5）0.935Ba0.065TiO3-xBiScO3陶瓷储能及应变性能研究第33卷第12期无机材料学报 Vol. 33No. 12 2018年12月Journal of Inorganic Materials Dec., 2018收稿日期: 2018-04-27; 收到修改稿日期: 2018-07-04基金项目: 国家自然科学基金(11664006); 广西自然科学基金(2016GXNSFAA380069); 广西信息材料重点实验室项目(161001-Z, 171009-Z)National Natural Science Foundation of China (11664006); Guangxi Natural Science Foundation (2016GXNSFAA380069);Guangxi Key Laboratory of Information Materials (161001-Z, 171009-Z)作者简介: 刘国保(1991-), 男, 硕士研究生. E-mail: liuguobao77@/doc/1712443272.html, 通讯作者: 许积文, 副教授. E-mail: csuxjw@/doc/1712443272.html,; 王华, 教授. E-mail: wh65@/doc/1712443272.html, 文章编号: 1000-324X(2018)12-1330-07 DOI: 10.15541/jim20180198 (Bi 0.5Na 0.5)0.935Ba 0.065TiO 3-x BiScO 3陶瓷储能及应变性能研究刘国保1, 王华1, 2, 谢航1, 庞思剑1, 周昌荣1,2, 许积文1,2(桂林电子科技大学 1. 材料科学与工程学院; 2. 广西信息材料重点实验室桂林 541004)摘要: 本研究采用BiScO 3组分对固相烧结工艺制备的(1-x )(Bi 0.5Na 0.5)0.935Ba 0.065TiO 3-x BiScO 3(BNBT-x BS)无铅陶瓷进行改性, 考察了BiScO 3掺杂含量对陶瓷的微观结构、储能、场致应变和介电等性能的影响。

BaTiO3基陶瓷的设计制备与储能特性研究

BaTiO3基陶瓷的设计制备与储能特性研究BaTiO3基陶瓷的设计制备与储能特性研究摘要：随着电子设备的快速发展和能源需求的不断增加，储能技术成为了当前科学研究的热点之一。

BaTiO3基陶瓷因其优异的储能特性而备受关注，并被广泛应用于电容器领域。

本研究主要针对BaTiO3基陶瓷的设计制备与储能特性进行了深入研究，旨在为新型储能材料的开发与应用提供参考。

1. 引言储能材料在能源存储和释放方面具有重要的应用价值。

BaTiO3基陶瓷以其高介电常数和压电特性而备受关注。

然而，传统的BaTiO3材料存在着破损和能量损耗等问题，因此，研究改进其储能特性至关重要。

2. 设计与制备2.1 化学合成方法采用溶胶-凝胶法合成BaTiO3基陶瓷，通过混合Ba(OH)2和TiCl4等前驱物并加入乙酸乙酯溶剂，经过水解缩聚反应制备纳米级BaTiO3粉末。

2.2 制备工艺控制控制烧结工艺参数，如烧结温度、烧结时间和烧结气氛，以获得致密的BaTiO3陶瓷。

采用适当的烧结温度和时间可以有效提高材料的密度和晶格结构。

3. 结果与讨论3.1 结构表征通过X射线衍射（XRD）分析和扫描电子显微镜（SEM）观察，确定了制备的BaTiO3陶瓷的晶体结构和形貌。

结果表明，制备的BaTiO3表现出良好的晶格结构和均匀的颗粒分布。

3.2 储能特性采用电力学测试系统对制备的BaTiO3陶瓷进行了电学性能测试。

测试结果显示，BaTiO3陶瓷具有优异的介电性能和储能性能。

其介电常数高达3000，相对介电损耗小于0.05。

4. 影响因素分析4.1 结晶度的影响研究发现，BaTiO3陶瓷的结晶度对其储能性能有显著影响。

较高的结晶度可以提高材料的储能效率和电容性能。

4.2 烧结温度的影响烧结温度是影响BaTiO3陶瓷致密度和晶格结构的重要参数。

过高或过低的烧结温度均会影响材料的储能特性。

5. 总结与展望本研究通过优化化学合成方法和制备工艺，成功制备了具有优异储能特性的BaTiO3陶瓷。

Nb_2O_5对BaTiO_3陶瓷性能的影响

Nb_2O_5对BaTiO_3陶瓷性能的影响
肖长江;朱玲艳;张恒涛;栗正新
【期刊名称】《硅酸盐通报》
【年(卷),期】2014(33)1
【摘要】本文在100 nm BaTiO3粉体中加入0、0.2%、0.5%、1%、2%、
5%Nb2O5,通过常规烧结来烧结得到致密的BaTiO3陶瓷,并对不同Nb2O5掺杂量的钛酸钡陶瓷的微观结构、密度和力学性能等方面的影响进行研究。

结果表明:随着Nb2O5的加入量从0%增加到5%时,BaTiO3陶瓷的晶粒尺寸从558 nm减小到126 nm,而它的硬度和抗弯强度却从4.6 GPa和20 MPa升高到7.3 GPa和36 MPa。

【总页数】4页(P79-82)
【关键词】BaTiO3陶瓷;Nb2O5;微观结构;力学性能
【作者】肖长江;朱玲艳;张恒涛;栗正新
【作者单位】河南工业大学材料科学与工程学院
【正文语种】中文
【中图分类】TQL74
【相关文献】
1.Nb_2O_5掺杂对PZN-PZT压电陶瓷微观结构和电性能的影响 [J], 路朋献;马秋花;邹文俊;侯永改;王改民;王春华
2.Nb_2O_5掺杂对Pb(Mg_(1/3)Nb_(2/3))O_3-PbZrO_3-PbTiO_3陶瓷组织与
性能的影响 [J], 宁海霞;侯现博
3.Nb_2O_5掺杂对BaTiO_3陶瓷介电常数的影响 [J], 郭文华;李钢
4.Nb_2O_5掺杂对BaTiO_3基介电陶瓷瓷料性能的影响 [J], 张云霞;郝俊杰;戚君婷;焦娟;陈存广
5.掺杂Nb_2O_5及MgO对细晶BaTiO_3系统介电性能影响的研究 [J], 郭炜;李玲霞;吴霞宛;张志萍;王洪儒
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压电陶瓷

第1章绪论1.1 无铅压电陶瓷的研究意义压电陶瓷可以直接实现电能和机械能的转换。

因而被广泛应用在超声换能、无损探伤、传感器、电子信息等高新技术领域，产品涉及汽车、电子、军事、医疗等各个行业[1]。

压电技术的发展对科技的进步，人民生活水平的提高均有重要的意义。

目前，市场上使用最多的是Pb（Zr、Ti）O3（PZT）系压电陶瓷材料。

PZT系压电陶瓷具有优异的压电性能，并且可以通过参杂改性来满足不同的性能要求，因而广受欢迎。

但这些陶瓷中PbO的含量超过60%[2]，而PbO是一种易挥发的有毒物质，其被人体吸收后会在人体内集聚，引起铅中毒，使人的神经系统受到损伤，严重的可能导致脑瘫和肾功能衰竭。

[3]此外，铅基陶瓷在生产、使用过程中以及废弃后的处理过程中都会对环境产生严重危害，并且通过水和食物链进行扩散[4]。

近年来随着人们环保意识的增强，人们越来越意识到铅的危害。

为了人民的身体健康，许多国家已立法禁止使用含铅电子材料。

如欧盟规定到2006年7月1日，所以新生产的电子材料都不能含铅[5]。

但在压电陶瓷方面，铅基陶瓷还无法被取代，故只能把含铅压电陶瓷列在禁止名单之外。

但开发无铅压电陶瓷仍是大趋势。

在国际政策和经济利益以及科学探索精神的共同驱使下，这几年无铅压电陶瓷的研究很热，国内外专家学者都做了大量的探索，并取得了不少进步。

1.2 无铅压电陶瓷分类及研究现状现在在研究的无铅压电陶瓷主要分钙钛矿结构材料和非钙钛矿结构材料。

非钙钛矿结构材料有铋层状结构材料和钨青铜结构材料。

1.2.1 铋层状结构材料铋层状结构铁电体是由二维的钙钛矿层和(Bi2O2)2+层有规则地相负交替排列而成,,化学通式为(Bi2O2)2+(A m-1B m O3m+1)2-,此处,A为Bi3+、Pb2+、Ba2+、Sr2+、Ca2+、Na+、K+、La3+、Y3+、U3+、Th4+等适合于12配位的+1、+2、+3、+4价离子或由它们组成的复合离子,B为Ti4+、Nb5+、Ta5+、W6+、Mo6+、Co3+、Cr3+、Zr4+等适合于八面体配位的离子或由它们组成的复合离子,m为一整数,对应于钙钛矿层厚度方向的原胞数[6].铋层状结构无铅压电陶瓷具有居里温度高, 其中Bi3NbTiO9作为这些材料中居里温度最高的一种，Tc达到914℃，另外它还有介电击穿强度大,介电损耗低,性能各向异性大以及温度、应力性能稳定等特征.所以,铋层状结构压电陶瓷在滤波器、能量转换及高温、高频领域有广泛的应用前景.但铋层状结构压电陶瓷明显的缺点是压电活性低,矫顽场EC高., 现有报道的这类材料的d33最高值才25pC/N[7].且介电温度也很低。

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Bi0.5Na0.5TiO3-BaTiO3-KNbO3陶瓷的介电特性及相变行为研究倪海民1, 罗来慧1*, 诸跃进1, 张约品2【摘要】采用固相反应法制备了(1-x)Bi0.47Na0.47Ba0.06TiO3-xKNbO3(BNBT-xKN, x=0~0.08)陶瓷, 借助铁电分析仪、阻抗分析仪、扫描电镜(SEM)等仪器研究了KNbO3(KN)引入后, 对陶瓷的微观结构、相变行为和介电性的影响. BNBT-xKN的扫描电镜(SEM)图显示: 适量的KN对BNBT陶瓷具有细化晶粒、增大致密度作用. 介电温谱(30~500℃)显示BNBT、BNBT-0.01KN、BNBT-0.02KN陶瓷有3个介电异常峰, 而BNBT-0.04KN和BNBT-0.08KN陶瓷中有2个介电异常峰, 并对陶瓷中出现的介电异常进行了讨论. 通过介电温谱数据拟合, 讨论了BNBT-xKN陶瓷的介电弛豫特性, 并解释了BNBT-xKN陶瓷退极化的原因以及出现双电滞回线的机理.【期刊名称】宁波大学学报（理工版）【年(卷),期】2011(024)003【总页数】5【关键词】铁电体; 压电陶瓷; 无铅; 弛豫; 弥散相变压电陶瓷是一种可实现电能和机械能相互转化的功能陶瓷, 在机械、电子、能源等方面具有很广泛的运用. 长期以来, 对压电陶瓷的研究和应用主要集中在Pb(Zr,Ti)O3系列陶瓷(PZT). PZT陶瓷拥有优异的电学性能, 但由于陶瓷制备过程中PbO的挥发, 造成严重的环境污染. 出于环境保护和人类社会可持续发展的需求, 新型环境友好的铁电压电陶瓷已成为世界各国致力研发的热点材料之一[1-2]. 在环境友好型铁电压电陶瓷中, 钛酸铋钠((Bi0.5Na0.5)TiO3, BNT)基陶瓷是一种很有希望的无铅压电材料[3-6]: NBT的居里温度为320℃, 室温下为三方结构, 具有相当大的剩余极化强度Pr=38 μC·cm-2, 较高的矫顽电场Ec=73k V·cm-1, 通过固溶BaTiO3、(Bi0.5K0.5)TiO3、KNbO3等铁电材料可以提高其压电性[7-9], 如由BNT和BT组成的二元体系可能具有较低矫顽电场, 陶瓷极化较容易, 有利于提高陶瓷的压电性能[7].钛酸铋钠随温度变化具有复杂的相变行为, 在220, 320和540℃温度处发生相变, 220℃处BNT陶瓷退极化, 失去压电性, 但是对其退极化的原因争论较多. 由于在退极化温度附近测量到了材料的双电滞回线[6,10], 所以认为导致退极化的原因是由于在退极化温度处发生了铁电相到反铁电相的相转变, 然而在相转变温度以上通过高分辨的X射线衍射、中子衍射等实验手段并没有观测到反铁电相的存在[11-12], 而退极化温度决定了BNT基陶瓷的温度稳定性, 因此有必要对BNT基陶瓷的退极化原因进行深入的研究. BNBT陶瓷是一种在准同型相界的无铅压电陶瓷, 具有较大的压电性能, KN也是种良好的铁电材料, 在BNBT中加入KN,形成(1-x)Bi0.47Na0.47Ba0.06TiO3-xKNbO3(BNBT-xKN)陶瓷, 有利于提高陶瓷的压电性. 笔者采用固相烧结方法制备出了BNBT-xKN (x=0~0.08)陶瓷, 通过测量陶瓷在不同频率下的介电温谱, 结合不同温度下电滞回线分析, 对BNBT-xKN陶瓷的相变和介电行为进行了研究.1 实验步骤采用传统陶瓷制备工艺制备出了无铅压电陶瓷, 图1为制备陶瓷的流程图. 以Bi2O3(99.9%)、Na2CO3(99.8%)、TiO2(99%)、BaCO3(99%)预合成Bi0.47Na0.47Ba0.06TiO3(BNBT)多晶粉体; 利用K2CO3(99%)、Nb2O5(99.5%)预合成KNbO3(KN)多晶粉体, 2种氧化物粉末在纯酒精中球磨10h, 然后烘干,再在850℃条件下烧结2h, 在该阶段中, 2种粉末发生的化学反应分别如下:将烧结好的BNBT和KN粉末按BNBT-xKN (x=0~0.08)化学式配料球磨10h 后干燥, 再用5%浓度的PVA溶液造粒过筛, 在10MPa条件下压成直径10mm、厚度为1mm的圆形薄片, 在1150℃条件下烧结3h, 样品磨平后被银, 在650℃烧渗银电极. 然后在80℃硅油中以3~4 kV·mm-1极化20min,在空气中放置24h后测试其性能. 我们利用阻抗分析仪(Agilent 4294A)测试了陶瓷在100Hz, 10kHz和1MHz的介电温谱, 利用铁电分析仪(RT Premier II)测试其在10 Hz 下的电滞回线(P-E), 并利用中科院声学所的准静态压电测试仪(ZJ-3AN)测试其压电系数d33.2 结果与讨论利用X衍射仪对所制备陶瓷的结构进行了分析, 结果显示所制备的陶瓷无其他相存在, 均为在准同型相界的钙钛矿结构. 图2是BNBT、BNBT-0.01KN、BNBT-0.04KN陶瓷放大20000倍的SEM形貌图, 从图中可以看出BNBT-0.01KN晶粒最小,晶粒较为均匀, 致密度最好; BNBT-0.04KN晶粒最大, 致密度较差. 说明适量的KN可以细化晶粒,提高陶瓷的致密度, 从而提高压电性能, 但过量的含量会起相反的作用.对铁电体而言, 介电温谱是一种研究铁电体的相转变的有效手段, 图3为不同组分的陶瓷在频率100Hz, 10kHz, 1MHz时测试的介电温谱, 从图中可以看出, BNBT、BNBT-0.01KN、BNBT-0.02KN陶瓷存在3个介电异常. 第1个介电异常峰发生在温度Td处, 是由退极化引起的, 3个组分的陶瓷的Td分别在105, 85, 55℃附近, 引起退极化的原因争论较多, 如宏畴-微畴转变[13-14]以及铁电-反铁电转变[6,10]. 第2个介电异常发生在温度Ts处, 从图3可知, Ts对测试的频率依赖很大, 在100Hz和10 kHz测试下有明显的介电异常, 而在高频1MHz 下观察不到介电异常, 说明这是由于缺陷的响应跟不上测试频率的变化. 而这些缺陷的来源主要是由于在烧结过程中, 陶瓷组分中的铋、钠、钾元素挥发而引起的. 第3个介电峰发生在Tm处, 是由于铁电-顺电相转变引起的. 此外, 从图3还发现, 随着KN含量的增加, 3个介电异常峰向低温方向移动. 然而在BNBT-0.04KN、BNBT-0.08KN陶瓷中,只观察到2个介电异常峰, 主要是由于第1个介电异常峰随着KN含量的增加, 向低温方向移动发生在室温以下, 所以在测量的温度范围内没有观察到介电异常.通过图3观察BNBT-xKN陶瓷在铁电-顺电相转变处的最大介电常数可以发现: 当x=0.01时, 最大相对介电常数达到5500; x≥0.02时, 随着x的增大相对介电常数逐渐减小; x=0.08时, 相对介电常数仅为3000. 根据缺陷化学可知, 引入的Nb5+占据ABO3型钙钛矿中B位的Ti4+, 导致了A位空位, 形成了带电Nb*Ti点缺陷, 由电价平衡原理还会导致A位空位形成点缺陷VA, 此外由于Na+, K+, Bi3+在烧结过程中易挥发, 会形成点缺陷VA'或(VA和V**. 按照无规电场的理论, 阴、阳离子空位组成无规电场, 将会引起晶格的局域应变, 并根据能量最低原理, 体系为了降低内应力, 将在晶体内部自发形成大量的纳米极性微区以减小体系的能量.少量的KN引入会增加极性微区的数量, 在居里温度时, 由于温度较高, 极性微区的活性增加, 所以少量的KN会增加陶瓷在居里温度的相对介电常数. 但是当较多的KN引入时, 陶瓷体内带电离子缺陷较多, 这会抑制极性微区的活性, 所以陶瓷在铁电-顺电相转变附近的介电常数会有所下降.对于正常的铁电材料, 当温度大于居里温度时, 介电常数和温度的关系满足居里-外斯定律:其中, C为居里-外斯常数; T为绝对温度; T0为居里温度. 为了描述铁电体在居里温度铁电-顺电转变的弥散度, Uchino[15]引入如下关系式来描述相转变的弥散度:式中,rε为T温度下的相对介电常数;cT为介电峰极大值maxε所对应的温度; γ为弥散性指数, 等于1时为正常铁电体, 等于2时为标准弛豫铁电体.图4为利用10KHz下的介电温谱数据, 通过(2)式拟合出来BNBT-xKN陶瓷的介电温谱曲线, 图中标出了不同KN含量时γ值的大小. 图4显示各个组分的γ值均>1, 在KN 含量为x=0.02时得到γ的最大值γ=1.93, KN含量为x=0.08时得到最小值γ=1.52, 从γ值可以知道少量的KN引入会增加居里温度处相转变的弥散性, 也即弛豫性增加.图5为不同组分陶瓷在室温的压电常数, 其显示少量KN能大大提高陶瓷的压电系数d33, BNBT-0.01KN的d33达到195pC·N-1, 然而BNBT-0.04KN、BNBT-0.08KN陶瓷的d33值非常小, BNBT-0.08KN陶瓷d33只有18pC·N-1. 由于BNBT-0.04KN, BNBT-0.08KN陶瓷退极化温度在室温以下, 所以在室温测量BNBT-0.04KN、BNBT-0.08KN陶瓷的压电常数d33很小.图6 是压电陶瓷BNBT-xKN的各个组分在10 Hz交流电压测量的电滞回线, 从图可以看出随着KN含量逐渐加大, 电滞回线变得越来越窄, 越来越倾斜. 少量KN引入后, 在相同的极化场下, 极化强度随着KN的加入而增加, BNBT-0.01KN陶瓷的极化强度最大值达到27.8μC·cm-2. 当KN含量达到2%后, 最大极化强度逐渐减小, 在KN为8%时, 最大极化强度仅为10μC·cm-2, 矫顽场随着KN的加入而逐渐减小. BNBT陶瓷的电滞回线的方形度最好, 矫顽场为27kV·cm-1, 剩余极化强度为20 μC·cm-2. 随着KN的引入, BNBT-0.01KN陶瓷的电滞回线变成了类似反铁电体的双电滞回线. 图6还显示对于引入KN的陶瓷在室温就存在双电滞回线, 而BNBT陶瓷在室温并未观察到双电滞回线,但是在退极化温度附近可以观察到双电滞回线,出现双电滞回线的原因并不是如文献[6,8]中所述的因为BNT基陶瓷在Td处发生了所谓的铁电-反铁电相变. 我们认为在BNBT-xKN陶瓷中出现双电滞回线的原因, 主要是由于BNBT-xKN陶瓷中在一个较大温度范围内(Td附近Tc)非极性区与极性区共存, 理由如下: (1)类似双电滞回线的出现可以通过相变诱导出来, 而在测试电滞回线的过程中电场可以诱导出非极性相到极性相的转变; (2)从图3(a)~(c)可以发现介电温谱中的第1个介电异常处的退极化温度依赖于测试频率, 而铁电-反铁电相转变为一级相变, 相转变温度不依赖于测试频率; (3)图5显示, 在退极化温度Td以上陶瓷还有一定的压电性, 而铁电-反铁电转变后的反铁电陶瓷的压电性应当为零. 从图6还可以发现, 随着KN的引入, BNBT-xKN的极化强度越来越难达到饱和,主要是由如下原因引起的: (1)在室温下在ABO3钙钛矿结构的A位引入的K+和在B位引入Nb5+而形成非极性区域; (2) KN的引入会形成晶格缺陷, 在电场力的作用下这些缺陷会发生定向移动从而产生漏电流而难以饱和极化.3 结论(1) 通过传统的陶瓷制备方法制备出了纯钙钛矿结构的BNBT-xKN的陶瓷, x=0.01时陶瓷的晶粒较细, 晶粒度一致性较好, BNBT-0.01KN的压电系数达到195pC·N-1.(2) 随着掺杂KN的增加, 陶瓷的退极化温度Td以及居里温度Tc逐渐降低, 当x≥0.04时退极化温度降到了室温之下, d33急剧下降, KN含量的改变, 对陶瓷在铁电-顺电相变处的弛豫度, BNBT-0.02KN具有最大的弛豫度.(3) 陶瓷BNBT-xKN在温度Td处发生了极性区-非极性区的转变, 在陶瓷中一个较大的温度范围内极性区、非极性区共存, 极性区、非极性区共存导致了双电滞回线的出现.参考文献：[1] 肖定全. 压电、热释电与铁电材料[M]. 天津: 天津大学出版社. 2000.[2] 赁敦敏, 肖定拿, 朱建国, 等. 无铅压电陶瓷研究进展[J]. 压电与声光, 2003, 25(2):127-132.[3] Sasaki A, Chiba T, Mamiya Y, et a1. 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