Influences of rare earth site engineering on piezoelectric and electromechanical response of (Ba0.85Ca0.15) (Zr0.1Ti0.9)O3 lead-free ceramics

材料科学 压电 陶瓷 兴奋剂 稀土 微观结构 电介质 稀土元素 复合材料 光电子学 冶金
作者
Leijie Wang,Wangfeng Bai,Xinyu Zhao,Yuqin Ding,Shiting Wu,Peng Zheng,Peng Li,Jiwei Zhai
出处
期刊:Journal of Materials Science: Materials in Electronics [Springer Nature]
卷期号:31 (9): 6560-6573 被引量:9
标识
DOI:10.1007/s10854-020-03212-1
摘要

The significant deterioration of temperature and fatigue stability are often observed in (Ba0.85Ca0.15) (Zr0.1Ti0.9)O3 (BCZT) ceramics, which will cause great resistance in practical applications. We have demonstrated that introducing various rare earth elements (e.g., Dy, Er, Eu, Ho, Pr and Sm) into BCZT ceramics can effectively solve above obstacle. The effects of the doped rare earth element types on the crystal phase, microstructure and resulting properties have been comparatively investigated. The rare earth ions (e.g., Dy, Eu, Ho, Pr and Sm) substituting at the A site are beneficial to acquire the enhanced piezoelectric properties (475–521pC/N) and electromechanical response (505–546 pm/V) for BCZT ceramics, while Er doping generates degraded electrical properties. More importantly, significantly improved temperature stability of piezoelectric properties was achieved in Eu-and Ho-doped BCZT ceramics, featured by less than 8% and 2% variation in the temperature range 20–70 °C. Moreover, excellent fatigue endurance and good frequency dependence were also realized in rare earth element-modified BCZT ceramics, which originated from the decreased defect density due to the reduction of oxygen vacancies. This work will provide a promising way to improve the temperature and fatigue stability of BCZT material without affecting the piezoelectric properties through doping various rare earth elements.
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