文档名：Gd3 掺杂调控BiFeO3BaTiO3高温无铅压电陶瓷的结构与性能
摘要：用于监测航空发动机、重型燃气轮机等重大技术装备高温部件振动状态的压电加速度传感器,需要一种高居里温度压电陶瓷作为敏感元件,而电子元器件的无铅化是环境保护的迫切要求.采用传统的固相反应法制备一种Gd/Mn共掺杂的BF-BT((0.67BiFeO3-0.33Ba1-xGdxTiO3)+0.5%(质量分数)MnO2,x=0～0.02)高温无铅压电陶瓷,并研究Gd3+掺杂浓度(x)对BF-BT陶瓷的相组成、微观结构、压电性能、介电弛豫行为及交流阻抗特征的影响.结果表明:所有样品均为单一钙钛矿结构,三方相(R)和四方相(T)共存,且T相含量随x增加而增加;适量的Gd3+(x<0.02)固溶进入钙钛矿点阵之中能够促进BF-BT陶瓷晶粒的生长.掺杂Gd3+的样品表现出增强的弛豫相变行为,相变温度(Tm)随x的增加而减小,而介电弛豫程度(ΔTrelax)随x的增加而增大.采用R-CPE等效电路模型对BF-BT陶瓷的高温复阻抗谱(Cole-Cole图)进行拟合分析,发现样品在高温下的交流阻抗主要来自晶界的贡献.并且随着Gd3+掺杂浓度的提高,样品的介电弛豫激活能不断增大,证实Gd3+取代Ba2+减少了晶格中氧空位浓度的施主掺杂效应.综合来看,x=0.01的样品具有最优的电学性能:TC=425℃,d33=126pC/N,kp=25.9%,tanδ=0.059,有望作为一种合适的高温压电材料被应用.
Abstract：Piezoelectricaccelerationsensorsareusedformonitoringthevibrationstateofhigh-temperaturecomponentsofsomeimportanttechnicalequipment,suchasaeroenginesandheavygasturbines.ThesesensorsrequireahighCurietemperaturepiezoelectricceramicasasensitiveelement,and"lead-free"electroniccomponentsareanurgentrequirementforenvironmentalprotection.Gd/Mnco-dopedhigh-temperaturelead-freepiezoelectricceramics((0.67BiFeO3-0.33Ba1-xGdxTiO3)+0.5%(massfraction)MnO2,x=0-0.02,BF-BT)werepreparedbyatraditionalsolid-statereactionprocess.TheeffectsofdopingconcentrationxofGd3+onthephasecomposition,microstructure,piezoelectricproperty,dielectricrelaxationbehaviorandACimpedancecharacteristicofBF-BTceramicswereinvestigated.Theresultsshowthatallsampleshavepureperovskitestructurewithcoexistenceoftripartitephase(R)andtetragonalphase(T),andtheTphasecontentincreaseswiththeincreasingGd3+dopingconcentration.Moderateamount(x<0.02)ofGd3+dopantdiffusingintotheperovskitelatticewouldalsopromotethegraingrowthofBF-BTceramics.Gd3+dopedsamplesexhibitenhancedrelaxationphasetransitionbehavior.Thephasetransitiontemperature(Tm)decreaseswiththeincreaseofx,whilethedielectricrelaxationdegree(ΔTrelax)increaseswiththeincreaseofx.TheR-CPEequivalentcircuitmodelhasbeenutilizedtomatchthecompleximpedancespectra(Cole-Colediagrams)oftheBF-BTceramics,indicatingthattheACimpedanceofsamplesathightemperatureismainlycontributedbythegrainboundary.TheactivationenergyofdielectricrelaxationincreaseswiththeincreasingGd3+dopingconcentration,demonstratingthesubstitutionofGd3+forBa2+canreducethedonordopingeffect.Ingeneral,whenx=0.01,thesampleexhibitstheoptimizedelectricalproperties,includingTC=425℃,d33=126pC/N,kp=25.9%,andtanδ=0.059.TheGd3+dopedBF-BTceramicsareexpectedtobeusedasapromisinghigh-temperaturepiezoelectricmaterial.
作者：唐蓝馨 王芳 周治 李双池 左鑫 李凌峰 杨柳 谭启 陈渝 Author：TANGLanxin WANGFang ZHOUZhi LIShuangchi ZUOXin LILingfeng YANGLiu TANDanielQ CHENYu
作者单位：成都大学机械工程学院,成都610106广东以色列理工学院材料科学与工程系,广东汕头515063
刊名：材料工程
Journal：JournalofMaterialsEngineering
年，卷(期)：2024, 52(4)
分类号：TM282
关键词：BiFeO3-BaTiO3 高温无铅压电陶瓷 离子掺杂 介电弛豫 交流阻抗
Keywords：BiFeO3-BaTiO3 high-temperaturelead-freepiezoelectricceramics iondoping dielectricrelax-ation ACimpedance
机标分类号：TM282TN384O469
在线出版日期：2024年4月28日
基金项目：国家重点实验室开放基金，四川省自然科学基金项目，广东省能量转换材料与技术重点实验室开放基金，四川省大学生创新创业训练计划项目Gd3+掺杂调控BiFeO3-BaTiO3高温无铅压电陶瓷的结构与性能[
期刊论文] 材料工程--2024, 52(4)唐蓝馨 王芳 周治 李双池 左鑫 李凌峰 杨柳 谭启 陈渝用于监测航空发动机、重型燃气轮机等重大技术装备高温部件振动状态的压电加速度传感器,需要一种高居里温度压电陶瓷作为敏感元件,而电子元器件的无铅化是环境保护的迫切要求.采用传统的固相反应法制备一种Gd/Mn共掺杂的...参考文献和引证文献
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