编号：NMJS09502
篇名： “离子对”掺杂BaTiO3基压电陶瓷的制备与性能研究
作者： 符立春
关键词： 压电陶瓷; BaTiO3; 施主-受主共掺杂; 离子对; 第一性原理计算;
机构：大连交通大学
摘要： BaTiO3作为ABO3型无铅压电陶瓷的典型代表,其压电性能的调控机制研究对新材料开发具有重要意义。值得关注的是,掺杂过程中形成的“离子对”型缺陷偶极子对压电陶瓷的性能同样有着显著的影响。基于此研究背景,本论文通过传统高温固相合成法制备A位“离子对”型受主-施主共掺杂的BaTiO3压电陶瓷,研究掺杂对其物相、微观形貌、压电、铁电等性能的影响。此外,还结合第一性原理计算,探讨“离子对”掺杂对材料铁电、压电等性能影响的物理机制。主要研究结果如下: （1）系统研究了Li+-Sb3+共掺杂对BaTiO3陶瓷压电、铁电等性能的影响。通过研究掺杂前后BaTiO3晶格常数的变化,对Li+-Sb3+共掺杂BaTiO3陶瓷中掺杂离子的占位进行了分析,发现Li+离子与Sb3+离子优先取代BaTiO3晶格中[001]方向相邻的A位离子,且铁电剩余极化强度随掺杂浓度增加而单调增加。此外,还通过对电场-热处理后材料电滞回线的分析,验证了离子对的存在。研究结果还表明,共掺杂浓度为x=0.004时将压电系数提升到了200 pC/N左右,同时介电损耗值从纯BaTiO3的0.35大幅降低至0.05。 （2）系统研究了Li+-Gd3+共掺杂对BaTiO3陶瓷压电、铁电等性能的影响。结果表明,Li+离子与Gd3+离子同样优先取代BaTiO3晶格中[001]方向相邻的A位离子,且铁电剩余极化强度随掺杂浓度增加而单调下降。压电性能在掺杂后得到了显著提升,在共掺杂浓度为x=0.008时压电系数d33达到了300 pC/N。整体来看,机电耦合系数和机械品质因数较未掺杂时也有明显提升。此外,共掺杂浓度为x=0.008时的陶瓷在110℃热处理后压电系数还能保持约85%,而纯BaTiO3陶瓷在110℃热处理后压电系数仅能保持约40%,说明掺杂显著改善了BaTiO3陶瓷压电性能的温度循环稳定性。 （3）根据A位“离子对”掺杂主要会引起[001]方向畸变的现象,将上述共掺杂行为等效为沿[001]方向的单轴应力作用行为,通过第一性原理计算单轴应力作用对BaTiO3铁电、压电性能的影响,明确影响其压电性能的决定性因素。结果表明,单轴压应力下晶格常数与极化强度变化趋势与前述共掺杂实验结果一致,表明掺杂引起的晶格几何畸变行为是影响BaTiO3铁电性能的主要因素。此外,研究还表明,压电系数随压应力变化不明显,说明掺杂行为对于BaTiO3压电性能的影响更为复杂,涉及元素间的化学相互作用。 通过上文研究结果,证明了A位“离子对”掺杂机制能够进一步改善BaTiO3陶瓷压电性能,对ABO3型压电陶瓷的无铅化性能提升,可能具有一定借鉴意义。