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01.04.2019

Enhanced temperature stability and tailored electromechanical response in (Ba0.85Ca0.15)(Zr0.1Ti0.9)O3 piezoceramics through rare earth modification

Zeitschrift:
Journal of Materials Science: Materials in Electronics
Autoren:
Leijie Wang, Wangfeng Bai, Xinyu Zhao, Fei Wen, Lili Li, Wei Wu, Peng Zheng, Jiwei Zhai
Wichtige Hinweise

Publisher's Note

Springer Nature remains neutral with regard to jurisdictional claims in published maps and institutional affiliations.

Abstract

(Ba,Ca)(Zr,Ti)O3 piezoceramics are deemed as one of potential lead-free alternatives to commonly used lead-based piezoelectric ceramics because of their high piezoelectric properties. However, in the process of improving their electrical properties, it tends to cause significant deterioration of thermal, frequency, and fatigue stability for electromechanical response, which will impede the commercialization of piezoelectric materials. Herein, we designed a strategy using the rare earth to modify BCZT lead-free piezoceramics so as to solve the above mentioned challenges. In this work, for Ho-modified BCZT lead-free ceramics, we achieved not only high electromechanical response with Smax/Emax = 550 pm/V and large piezoelectric coefficient d33 = 521 pC/N, but also the enhanced temperature stability featured by < 2% variation for d33 in the general operating temperature range of 20 °C and 70 °C. In addition, large electrostrictive coefficient Q33 of 0.045 m4/C2 was also realized in this modified materials while still maintaining good temperature stability. More interestingly, this modified materials also performed excellent fatigue endurance, evidenced by < 3% variation for the remnant polarization (Pr) and Smax/Emax after 105 cycles. The complex impedance spectra verified that the boosted fatigue resistance was mainly attributed to the decrease of the defect density originating from the reduced oxygen vacancies. These results demonstrate that the introduction of rare earth into BCZT is an effective way to tailor temperature stability and electromechanical responses.

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