【摘要】：壓電材料是功能材料的重要一員,通過機(jī)械能與電能之間的轉(zhuǎn)換,它被廣泛應(yīng)用與微機(jī)電系統(tǒng)、醫(yī)學(xué)超聲診斷和自動(dòng)化工業(yè)等領(lǐng)域。多年以來,以鋯鈦酸鉛(PZT)為代表的鉛基壓電材料一直占據(jù)著主要市場,但是其含有大量的鉛,會(huì)對自然環(huán)境和人類健康帶來很大的危害。所以很多國家都開始研究可以替代PZT的無鉛壓電陶瓷。在眾多無鉛體系中,鈮酸鉀鈉(KNN)體系因其居里溫度高、自發(fā)極化大和相對較高的壓電系數(shù)成為最有希望的研究對象。本文與相關(guān)課題組開展合作,對三類具有代表性的KNN基材料的相結(jié)構(gòu)和微結(jié)構(gòu)進(jìn)行細(xì)致的表征,為工藝改良提供指導(dǎo),為理解和優(yōu)化性能提供基礎(chǔ)。對于傳統(tǒng)工藝制備的KNLN陶瓷,提高其性能最為有效的方法就是將多晶型相界(PPT)調(diào)節(jié)到室溫。但是,純相的陶瓷很難獲得,總是不可避免的出現(xiàn)第二相。通過對不同Li含量陶瓷的相結(jié)構(gòu)和微結(jié)構(gòu)進(jìn)行細(xì)致分析,我們發(fā)現(xiàn)第二相的結(jié)構(gòu)為四方鎢青銅結(jié)構(gòu),由Li、Na、K、Nb和O五種元素組成。第二相主要分布在陶瓷內(nèi)部,陶瓷表面沒有。并且,第二相的存在會(huì)使PPT調(diào)節(jié)失敗,因此壓電性能得不到提高。對于固相制備KNLN單晶,我們利用電子背散射衍射、壓電力顯微鏡和透射電鏡研究了單晶內(nèi)部微結(jié)構(gòu)特點(diǎn)。單晶內(nèi)出現(xiàn)周期平行排列的δ邊界和周期性疇結(jié)構(gòu)。δ邊界兩側(cè)每一層的厚度為2-3μm,兩側(cè)的取向關(guān)系為1.4°/[12 3 2]。與取向的變化相對應(yīng),兩種疇結(jié)構(gòu)也呈交替排列。一種疇結(jié)構(gòu)平行的薄片狀,疇壁的指數(shù)為{100},這種疇結(jié)構(gòu)對應(yīng)四方相中180°疇或者正交相中90°疇;另一種疇結(jié)構(gòu)為楔形狀,疇壁的指數(shù)為{11l},指數(shù)l是無理數(shù),并隨著疇壁與δ邊界的夾角變化而改變,這種疇結(jié)構(gòu)對應(yīng)正交相中的60°或120°疇。在KNLN單晶中觀察到的特殊微結(jié)構(gòu)主要和固相法中單晶所受的獨(dú)特應(yīng)力場有關(guān)。對于反應(yīng)模板法制備的KNLNTS織構(gòu)化陶瓷,為了弄清反應(yīng)機(jī)理,我們對燒結(jié)過程中四個(gè)溫度的樣品(800°C、1100°C、1140°C和1190°C)進(jìn)行了細(xì)致的結(jié)構(gòu)和成份分析。結(jié)果表明,陶瓷內(nèi)部先發(fā)生模板與陶瓷基體的元素或擴(kuò)散、再形成大量液相、外延生長在模板表面形核,最終通過消耗液相長大實(shí)現(xiàn)織構(gòu)化。因此,我們提出了液相定點(diǎn)輔助燒結(jié)的模型。
【圖文】：

1.1 基本概念壓電效應(yīng)是描述晶體的介電性質(zhì)與彈性性質(zhì)之間的耦合關(guān)系，即機(jī)電耦合效應(yīng)的線性部分，描述晶體壓電性質(zhì)的參數(shù)為壓電常數(shù)。當(dāng)壓電晶體受到外力作用而發(fā)生形變時(shí)，，在它的某些表面上會(huì)出現(xiàn)與外力成線性比例的電荷積累，這一現(xiàn)象我們稱之為壓電效應(yīng)。壓電材料必須為晶體，壓電性對晶體對稱性的要求是沒有對稱中心，在 32 類點(diǎn)群中共有 21 類無對稱中心，描述壓電性質(zhì)的壓電常數(shù)也與晶體的對稱性密切相關(guān)，最優(yōu)的壓電常數(shù)通常在一些特定的方向。[1, 2]壓電材料可以分為兩類，非鐵電性的壓電材料和鐵電性壓電材料。α-SiO2 晶體屬于非鐵電性的壓電材料的典型代表，它產(chǎn)生壓電效應(yīng)的機(jī)理見圖 1.1：當(dāng)晶體未收到外應(yīng)力作用時(shí)，Si 和 O 在 x-y 平面的投影分布在正六邊形的頂點(diǎn)上，正負(fù)離子形成的電偶極矩的矢量合為零，晶體表面無凈電荷，當(dāng)受到 x 方向的拉應(yīng)力或壓應(yīng)力時(shí)，正負(fù)離子的中心不再重合，所以在晶體 x 面上將出現(xiàn)凈電荷。

因此，均勻極化的狀態(tài)是不穩(wěn)定的，晶體內(nèi)部產(chǎn)生許多電疇。單個(gè)電疇內(nèi)的極化方向一致，不同電疇之間極化方向不同。疇之間的界面叫疇壁。電疇的穩(wěn)定構(gòu)型是靜電能，應(yīng)變能和疇壁能之和取極小值的結(jié)果。圖1.2示意典型的疇結(jié)構(gòu)。因?yàn)殍F電疇反應(yīng)了自發(fā)極化的排列狀態(tài)，因而與性能息息相關(guān)。通過操作疇的尺寸與取向被稱為疇工程。[5-10]圖 1.2 典型鐵電疇結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1.2 Schematic of typical ferroelectric domain structures.
【學(xué)位授予單位】：中國科學(xué)院大學(xué)(中國科學(xué)院上海硅酸鹽研究所)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號(hào)】：TM282

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本文編號(hào)：2596734