新型(Bi0.5Na0.5)TiO3基复合体系准同型相界及其控制机制

本申请针对(Bi0.5Na0.5)TiO3基体系研究的关键问题-MPB处的退极化行为，以铋基钙钛矿Bi(M'M")O3为第二组元构建BNT-铋基钙钛矿新型复合固溶体系。在理论上利用第一性原理预测Bi(M'M″)O3的晶体结构和离子结合状态；在合成方法上，选择B位离子的种类和组合方式，控制第二组元的微观结构，采用二步法和高压合成烧结技术提高复合体系钛矿稳定性，在宽的组成范围内获得钙钛矿结构的复合体系陶瓷；并通过现代研究手段，确定BNT复合体系MPB的组成、结构及其相变行为；从而通过结构参量（容差因子和B位离子位移等），建立MPB处的组成-结构-相变行为之间的关系，为寻找高电学性能和高退极化温度的复合体系准同型相界区提供理论和实验依据。

针对钛酸铋钠(Bi0.5Na0.5TiO3，BNT)自身存在的退极化行为，本研究试图选择具有小的容差因子的铋基钙钛矿Bi(B1B2)O3作为第二组元，与BNT形成复合体系，寻找其形成的准同型相界，并研究其附近的的铁电与弛豫相之间的转变形成。研究表明，选择A位和B位双复合结构的赝钙钛矿组元(Bi0.5Na0.5)(Zn0.5Ti0.5)O3(BNZT)，其与BNT之间形成稳定钙钛矿的能力较差，在BNZT加入量超过 mol.%时就易形成杂相，使体系的电学性能严重恶化。我们进一步选择了两种B位复合的铋基钙钛矿Bi(Zn1/2Ti1/2)O3（BZT）和Bi(Mg1/2Ti1/2)O3（BMT）作为第二组元，重点研究了它们与BNT之间的相形成能力及其电学性能与第二组元加入量之间的关系。结果表明，在Bi(Zn1/2Ti1/2)O3-BNT复合体系中，引入BaTiO3，有利于提高BZT的加入量。当BaTiO3加入量为4 mol.%时，BZT加入量10 mol.%在时，体系能保持钙钛矿结构；另外，BZT的加入，体系的三方结构没有明显的变化，但其弛豫性却有明显的变化。通过对陶瓷样品各项电学性能的分析，BZT的加入诱使陶瓷内部更加弥散化，陶瓷的弛豫特性明显增强。此外，对于BMT-BNT体系，研究中选择了四方区0.88BNT-0.12BT与之复合。研究发现， BMT在BNT中有高的固溶特性，在BMT含量高达40mol.%时，固溶体均表现出纯钙钛矿结构。但其组成决定的准同型相界在BMT加入量为2.0-4.0 mol.%左右，此时其最大压电系数d33达到171 pC•N-1左右。透射电镜观察发现，随着BMT的加入，其畴的形貌从具有四方特征的条形畴向无序畴方向发展。随着BMT含量的增加，弥散相的含量不断上升，当陶瓷在宏观上表现出较强的弛豫特性时（BMT≥3mol.%），陶瓷难以极化，压电性能迅速劣化。但是正常铁电相与弛豫铁电相的转化过程中，BMT的加入对于陶瓷的电致伸缩性能有明显的优化作用，在BMT含量为4 mol.%达到最优值。