Co掺杂Na0.5Bi4.5Ti4O15铋层状无铅压电陶瓷制备及电学性能研究

doi:10.16553/j.cnki.issn1000-985x.2024.0258

摘要/Abstract

摘要： 使用传统固相反应法制备了Na_0.5Bi_4.5Ti_4-_x Co _x O₁₅（x=0、0.025、0.050、0.075）铋层状无铅压电陶瓷。采用XRD、SEM、EDS、XPS及相关电学参数测试系统表征了样品的晶体结构、断面形貌、氧空位情况及介电、压电、铁电等性能，探究不同Co掺杂含量对陶瓷性能的影响。结果表明：当掺杂含量x=0.050时，样品的物相组成单一均匀，晶粒呈现片层状，相对密度较高，压电常数可达34.7 pC/N，介电损耗仅为0.30%，居里温度为672 ℃，500 ℃时高温电阻率为1.62×10⁷ Ω·cm，并且具有很好的温度稳定性，说明掺杂改性后的Na_0.5Bi_4.5Ti_3.95Co_0.05O₁₅陶瓷在高温高频领域具有潜在的市场应用价值。

关键词: Co掺杂; 铋层状无铅压电陶瓷; 固相反应法; 压电性能; 热稳定性; 电学性能

Abstract: High Curie temperature bismuth-layered lead-free piezoelectric ceramics based on Na_0.5Bi_4.5Ti_4-_x Co _x O₁₅ （x=0， 0.025， 0.050， 0.075） were prepared by conventional solid state reaction method. The crystal structure， fracture morphology， oxygen vacancy status， as well as the dielectric， piezoelectric and ferroelectric properties of the samples were characterized by XRD， SEM， EDS， XPS and related electrical parameter testing systems. The influence of different doping contents of Co on the ceramic properties was investigated. The results show that when the doping content of Co is 0.050， the sample exhibits a single and uniform phase composition， with a lamellar structure and high densification. The piezoelectric constant is 34.7 pC/N. The dielectric loss is only 0.30% and the Curie temperature is 672 ℃. The high temperature resistivity at 500 ℃ is 1.62×10⁷ Ω·cm. Meanwhile， the sample demonstrates excellent temperature stability， suggesting that the doped Na_0.5Bi_4.5Ti_3.95Co_0.05O₁₅ ceramic has potential market applications value in high-temperature and high- frequency fields.

Key words: Co doping; bismuth-layered lead-free piezoelectric ceramics; solid state reaction method; piezoelectric property; thermal stability; electrical property

中图分类号:

TQ174.1

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图/表 9

图1 不同掺杂含量下NBT陶瓷的XRD图谱

Fig.1 XRD patterns of NBT ceramics doped with different Co content

图2 不同Co掺杂含量下NBT陶瓷的断面SEM照片（a）~（d）与（c）中A区域的EDS图谱（e）。（a）x=0；（b）x=0.025；（c）x=0.050；（d）x=0.075

Fig.2 Fracture surfaces SEM images of NBT ceramics doped with different Co content （a）~（d） and EDS spectrum （e） of area A in Fig.（c）. （a） x=0；（b） x=0.025；（c） x=0.050；（d） x=0.075

表1 不同Co掺杂含量下NBT陶瓷的室温介电和压电等物理性能

Table 1 Physical properties such as dielectric and piezoelectric properties of NBT ceramics doped with different Co content at room temperature

Sample	ρ_d/（g·cm^-3）	ρ_rd/%	ε_r	tan δ/%	d₃₃/（pC·N^-1）	k_p/%
NBT	6.48	84.9	138	0.68	17.5	3.9
NBT-0.025	6.72	88.1	140	0.45	28.1	4.8
NBT-0.050	7.13	93.4	146	0.30	34.7	5.4
NBT-0.075	6.98	91.5	150	0.54	27.7	5.0

图3 不同Co掺杂含量下NBT陶瓷的介电温谱。（a）相对介电常数；（b）介电损耗

Fig.3 Dielectric permittivity of NBT ceramics doped with different Co content. （a） Relative dielectric constant；（b） dielectric loss

图4 不同Co掺杂含量下NBT陶瓷的电阻率随温度的变化

Fig.4 Variation of resistivity of NBT ceramics doped with different Co content with temperature

图5 NBT（a）和NBT-0.050（b）陶瓷的O 1s高分辨XPS

Fig.5 High resolution O 1s XPS of NBT （a） and NBT-0.050 （b） ceramics

图6 NBT和NBT-0.050陶瓷的电滞回线

Fig.6 Hysteresis loop of NBT and NBT-0.050 ceramics

图7 退火温度对NBT-0.050陶瓷压电常数的影响

Fig.7 Effect of annealing temperature on d33 of NBT-0.050 ceramics

图8 NBT-0.050陶瓷压电常数随温度的变化

Fig.8 Variation of d33 of NBT-0.050 ceramics with temperatures

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Co掺杂Na_0.5Bi_4.5Ti₄O₁₅铋层状无铅压电陶瓷制备及电学性能研究

Preparation and Electrical Properties of Co Doped Na_0.5Bi_4.5Ti₄O₁₅ Bismuth-Layered Lead-Free Piezoelectric Ceramics

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