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Attaining excellent piezoelectric properties and thermal stability in PIN-PHT ceramics by integrating tetragonal phase and relaxor ferroelectrics

材料科学 四方晶系 压电 陶瓷 热稳定性 兴奋剂 磁滞 相(物质) 复合材料 凝聚态物理 光电子学 化学工程 物理 工程类 有机化学 化学
作者
Huanli Shi,Dongyan Zhang,Zhimin Li,Maolin Zhang,Li Jin,Yangxi Yan
出处
期刊:Ceramics International [Elsevier BV]
卷期号:49 (19): 31784-31793
标识
DOI:10.1016/j.ceramint.2023.07.133
摘要

Herein, Nd2O3-doped 0.11PIN-0.89PHT (PIN-PHT) single-phase tetragonal piezoelectric ceramics are prepared by traditional solid-phase method. In addition, impacts of Nd-doping on crystal structure and electrical performance for 0.11PIN-0.89PHT ceramics are systematically investigated. Based on Landau theory, we propose a novel strategy for obtaining high-performance ceramics by combining tetragonal phase and relaxor ferroelectrics. Results reveal that the introduction of polar nano-regions in tetragonal phase ceramics by doping with rare-earth ions to convert normal ferroelectrics into relaxed ferroelectrics is responsible for excellent properties of 0.11PIN-0.89PHT-xNd ceramics. The optimized comprehensive performance is obtained at x = 0.9 mol%, where d33 = 670 pC/N, Smax = 0.29% (45 kV/cm), strain hysteresis = 8.68% (45 kV/cm), d33* = 736 p.m./V (30 kV/cm), TC = 312.6 °C, εr = 3234, kp = 0.62, tanδ = 0.014, and excellent high-temperature stability in temperature range of 20–240 °C. After 106 cycles, electrical properties and strain remain unchanged, showing excellent anti-fatigue behavior. This work provides a novel approach for the development of ceramics with outstanding piezoelectric response, high strain, low strain hysteresis, excellent anti-fatigue resistance and thermal stability, and is expected to realize practical applications of piezoelectric ceramics.
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