Structure‐property relationships in BiScO₃–PbTiO₃–PbMg_1/3Nb_2/3O₃ ceramics near the morphotropic phase boundary

Abstract

The phase structure, dielectric, ferroelectric, and piezoelectric properties of (1−2x)BiScO3–xPbTiO3–xPbMg1/3Nb2/3O3 ceramics (x = 0.30‐0.46) were studied. It was found that an increase in x leads to a structural phase transition between the rhombohedral and tetragonal phase via an intermediate monoclinic phase and to a crossover from the nonergodic relaxor state to the ferroelectric one. It was proposed that at x > 0.42 the phase transition changes from second to first order. The assumption about the existence of a tricritical point on the phase diagram at x ≈ 0.42 with the enhanced dielectric response has been made. The observed structure‐property relationships of the studied solid solutions are discussed. It is shown that the solid solutions with x = 0.42 are characterized by the high piezoelectric parameters (d33 = 509 pC/N, d31 = −178 pC/N, dh = 153 pC/N), which makes possible their applications in sonar equipment.

Диэлектрический отклик керамических твердых растворов 16BiScO-=SUB=-3-=/SUB=--42PbMg-=SUB=-1/3-=/SUB=-Nb-=SUB=-2/3-=/SUB=-O-=SUB=-3-=/SUB=--42PbTiO-=SUB=-3-=/SUB=- в электрическом поле

“…Поле прикладывалось к образцу в течении 800 с, после чего выключалось. Видно, что в полях, значительно меньших коэрцитивного поля (кривая 1) (E c ∼ 9 kV/cm [12]), практически никаких изменений величины ε/ε 0 не обнаружено. В полях, близких к коэрцитивному полю, сразу после включения поля наблюдается сначала незначительное увеличение величины ε/ε 0 , в затем ее уменьшение (кривая 2).…”

“…2 (кривая 1). При увеличении E (E ≥ 5 kV/cm) наблюдается резкий рост S. Такое поведение кривой S−E может быть объяснено вкладом от доменных переключений, которые активизируются вблизи коэрцитивных электрических полей (E c ≈ 9 kV/cm [12]). При E = 14 kV/cm происходит исчезновение гистерезиса между прямым и обратным ходом зависимости S−E и ее ярко выраженный перегиб.…”

“…при охлаждении в отсутствие электрического поля наблюдается размытый или острый переход в сегнетоэлектрическое состояние [14], а не в неэргодическое релаксорное, как в PMN. С одной стороны, керамические твердые растворы 16BS−42PMN−42PT, как следует из нашей работы [12], относятся к типичным релаксорным сегнетоэлектрикам, так как зависимость температуры максимума (T m ) диэлектрической проницаемости от частоты измерительного электрического поля описывается законом Фогеля−Фулчера с T f ∼ 396 K. С другой стороны, кристаллическая структура неполяризованных образцов при комнатной температуре характеризуется сосуществованием кубической и моноклинной (Cm) фаз, а поляризованных -кубической и тетрагональной (P4mm) фаз [15].…”

Dielectric and Piezoelectric Properties of Mn-Doped Bi(Mg1/2Ti1/2)O3-PbTiO3 Piezoelectric Single Crystals with MPB Composition

“…Great attention has been given to piezoelectric materials with high Curie temperatures (T c ) because both high piezoelectric performances and good temperature stability are required for applications in automotive, aerospace and related industries [1][2][3][4]. In recent years, Bi(Me)O 3 -PbTiO 3 solid solutions, such as (1-x)BiScO 3 -xPbTiO 3 (BS-PT) and (1-x)Bi(Mg 1/2 Ti 1/2 )O 3 -xPbTiO 3 (BMT-PT), have become a research hotspot in the area of high temperature piezoelectric materials, due to the good piezoelectric properties and high Curie temperature [5][6][7]. The T c and piezoelectric coefficient d 33 of BS-PT ceramics with a morphotropic phase boundary (MPB) (x = 0.64) composition are 450 • C and 460 pC/N [8].…”

Low- and high-field electromechanical responses of relaxor-based multicomponent ceramics for application in multiregime actuators

“…For example, this behavior of physical properties was found in the compositions of the system (1Àx) PbTiO 3 -x PbZrO 3 (PZT) (x … 0:52) widely used in piezoelectric techniques, and in lead-free ceramics (1Àx) NaNbO 3 -xKNbO 3 (KNN) (x … 0:50) and (1Àx) Na 1=2 Bi 1=2 TiO 3 -xBaTiO 3 (x … 0:07), as well as, in high-temperature piezoelectrics (1Àx) BiScO 3 -xPbTiO 3 (x … 0:64) and related ternary systems, in the (1Àx) Bi(Mg 1=2 Ti 1=2 )O 3 -xPbTiO 3 ceramics with Re-entrant dipole glass-like behavior and in many other objects. [1][2][3][4][5][6][7] Solid solutions of relaxor ferroelectrics Pb(Mg 1=3 Nb 2=3 )O 3 (PMN) and Pb(Zn 1=3 Nb 2=3 )O 3 (PZN) with the classical ferroelectric PbTiO 3 (PT) are the most promising for use in piezoelectric devices requiring high values of electric field-induced strains (S). The single crystals of these solid solutions near the MPB separating the tetragonal (T) and rhombohedral (Rh) regions of the x À T phase diagrams demonstrate high values of piezoelectric responses (d 33 > 2500 pC/N) and the electromechanical coupling coefficient (k 33 > 0:90).…”