添加 MnO2 对制备MgO 陶瓷基板上的四方 (Bi,Na)TiO3 –BaTiO3 厚膜温度性能的影响
介绍
由于环境问题，需要开发性能与 Pb 基压电材料（PZT 和相关材料）相当的无铅压电材料。铅基材料已用于许多应用，例如致动器和传感器。铅基材料的可能替代品是 (Bi,Na)TiO3, 4-11) (K,Na)NbO3, 12-15 ) 和 BaTiO3 16-18) 及其固溶体。其中，(1-x)(Bi,Na)TiO3-xBaTiO3 (BNT-100xBT) 及相关材料因其优异的电学性能而被深入研究。 MPB 区域中的 BNT–100xBT 陶瓷 (0.06 ⩽ x ⩽ 0.08)，即使 MPB 区域中的 Td 相对较低 (110 °C–140 °C)。虽然 x < 0.05 (菱面体 R3c, ∼150 °C) 和 0.09 < x (四边形 P4mm, ∼160 °C) 的 Tds 高于 MBP 区域的 Tds，但实际应用中的 Tds 仍然很低。为了克服 BNT 基陶瓷中的这个问题，据报道，由于淬火引起的晶格畸变会增加 Td。
电子设备是使用各种薄膜制备技术制造的，例如旋涂和溅射。其中，丝网印刷通常被选择用于制造厚膜，因为它易于形成图案，并且具有成本效益的大批量生产。因此，我们已经使用丝网印刷制备了无铅 BNT–100xBT（x = 0.03、0.05、0.07、0.09 和 0.17）厚膜。在这项研究中，我们发现残余压应力导致在 BNT–100xBT 厚膜的 Td 中，导致 MgO 衬底上的厚膜的 Td 高于块状陶瓷或 YSZ 或 Al2O3 衬底上的厚膜。BNT–100xBT 厚膜的成分接近MPB (0.05 ⩽ x ⩽ 0.07) 在室温下表现出约 16 μC cm-2 的大 Pr，而 Td 的增加受到限制，因为 BNT-100xBT (0.05 ⩽ x ⩽ 0.07) 的热膨胀接近于MgO 基板。在 x = 0.17 的组成下，Td (>100 °C) 的增加大于 MPB 组成附近的厚膜 (30 °C–70 °C)，因为它们的热膨胀差异很大。 然而，BNT-17BT 厚膜在室温下的 Pr 在 10 μC cm-2 时相对较低。因此，需要在高 Td 的室温下改善厚膜的电性能。 Mn 的添加提高了 BNT-100xBT 及其相关材料的电性能。然而，Mn 添加到 BNT-100xBT 厚膜的效果尚未得到证实。此外，由 x = 0.17 和 0.17 < x 附近的残余压应力引起的 BNT-100xBT 厚膜的 Td 增加仍然未知。
本研究还研究了范围从室温到高温在 BNT-100xBT 厚膜中添加 MnO2 的影响和 BNT-100xBT (0.14 ⩽ x ⩽ 0.40) 厚膜的温度依赖性，以开发具有良好电性能的无铅 BNT-100xBT 厚膜。
应用情况
本文中主要研究了具有 MnO2 添加剂的 (1-x)(Bi0.5Na0.5)TiO3-xBaTiO3 (BNT-100xBT, 0.14 ⩽ x ⩽ 0.40) 厚膜的温度依赖性。 向厚膜中添加 0.2 wt% MnO2 增加了剩余极化率 (Pr) 并提高了其温度稳定性，厚膜的 Pr 值与具有变型相界 (MPB) 组成的厚膜的 Pr 值相当，去极化温度（Tds）高于块状陶瓷，在添加 MnO2 的 BNT-20BT 厚膜中观察到最高的 Td 约为 300 °C。 为了了解 Td 随成分 x 的变化，我们检查了 BNT–100xBT 的热膨胀。 © 2021 日本应用物理学会
图片12显示了使用 Cu-Kα 辐射（Rigaku Corporation Smart Lab）通过 X 射线衍射 (XRD) 表征样品的晶相。 使用热机械分析 (TMA; SII EXSTAR6000) 测量块状陶瓷加热期间从 60 °C 到 1000 °C 的热膨胀曲线。 使用阻抗分析仪在 100 kHz 加热期间测量介电常数和 tanδ 的温度依赖性。 通过使用铁电测试系统（TOYO Corporation FCE10-S）在 100 Hz 下施加双极三角波形来测量 P-E 磁滞回线。 P-E 磁滞回线是循环测量的第 2、第 3 和第 4 循环的平均值。
来源
作者：Yuichi Sakai1 and Tomoaki Karaki
机构：Toyama Industrial Technology Research and Development Center, Toyama 9300866, Japan 2 Department of Electrical and Electronic Engineering, Faculty of Engineering, Toyama Prefectural University, Imizu, Toyama 9390398, Japan
发布时间：Received June 1, 2021; revised July 4, 2021; accepted July 7, 2021; published online July 22, 2021
关键字：粉末、无铅压电材料、高温、陶瓷
期刊：Japanese Journal of Applied Physics