無鉛壓電陶瓷替代鉛系陶瓷是社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展、環(huán)境保護(hù)的必然要求,也是材料科學(xué)發(fā)展的重要工作之一。當(dāng)前,無鉛壓電陶瓷研究的短期目標(biāo)是尋找大壓電系數(shù)(d33)的陶瓷體系。在近二十年的研究中,已在鈣鈦礦型鈦酸鋇基陶瓷中發(fā)現(xiàn)了 d33接近或超過鋯鈦酸鉛陶瓷的體系,這是今后有望能替代鉛系陶瓷的無鉛壓電陶瓷材料之一。目前,大d33材料均是室溫處于鐵電相的鐵電材料,而鐵電體的性質(zhì)和應(yīng)用與鐵電相變有或多或少的聯(lián)系�，F(xiàn)有鐵電相變理論模型對具有典型二級鐵電相變的鐵電體-硫酸三甘肽(triglycine sulfate,TGS)的自發(fā)極化強(qiáng)度、鐵電相變的比熱的定量描述存在明顯偏離。本論文考慮到鐵電體中自發(fā)極化與自發(fā)應(yīng)變之間的非線性耦合,提出了一種忽略隧道效應(yīng)的鐵電相變新模型。模型預(yù)言的自發(fā)極化和鐵電相變的比熱等,與TGS相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果符合較好。另外,模型還預(yù)言了鐵電相變與類鐵電相變共存的新型鐵電體系。研究發(fā)現(xiàn),相組成、晶粒尺寸(g)、晶界、疇結(jié)構(gòu)等因素影響陶瓷的壓電性能,其中,相組成和g對特定陶瓷體系中高d33的共同影響研究還未見到。本文,采用固相反應(yīng)方法,在系列燒結(jié)溫度(Ts)下,制備了 BaTi0.98Hf0.02O3(BTH)陶瓷,對陶瓷的室溫d33、電滯回線、相組成、拉曼光譜、g和變溫介電譜進(jìn)行了測量與分析,研究了相組成和g對BTH陶瓷壓電性能的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn):1)g分別為 0.9、21.3、21.6 和 37.2μm時(shí),對應(yīng)相組成為四方-正交(tetragonal-orthogonal,T-O)、四方-正交-三方(tetragonal-orthogonal-rhombohedral,T-O-R)、T-O-R 和 T-O相,d33為475、327、352和258pC/N;2)d33隨g的增大,先減小后增大,相組成相同時(shí),g越小,d33越大;3)當(dāng)g≤21.3μ 時(shí),陶瓷的d33隨g的減小而增大,當(dāng)g≥21.3μm時(shí),相組成為T-O-R相的陶瓷具有較大的d33。相組成和g相互影響,并共同影響了 d33的變化。同時(shí),本論文采用兩種方式將鉿鈦酸鋇基的Ba0.85Ca0.15Hf0.1Ti0.903陶瓷d33提高到600 pC/N以上。一種方式是調(diào)節(jié)陶瓷預(yù)燒溫度(Tcal)和Ts,另一種是稀土Ho離子摻雜。具體為:采用傳統(tǒng)固相反應(yīng)方法在系列Tcal和Ts下制備了純BCHT陶瓷。結(jié)合陶瓷體密度、室溫電滯回線、d33、表面形貌的測試結(jié)果,確定了 BCHT陶瓷d33最大時(shí)的Tcal和Ts,分別是 1250℃和 1500℃。當(dāng)Ts=1400℃(Tcal=1150、1200、1250℃)、1450和1500℃時(shí)陶瓷體密度和d33較大,室溫為鐵電體。特別是Ts=1500℃時(shí),陶瓷d33整體高于其他陶瓷,該體系g分別為15.6μm、22μm、24.5μm、和25μm時(shí),相組成分別為 T-R、T-O-R、O-R 和 T-O-R,對應(yīng)d33 分別為 601、413、367 和 387 pC/N。隨g的增加,d33先減小最后略有增大。當(dāng)g≥22μm時(shí),T-O-R相共存的d33大于O-R兩相共存的數(shù)值,而相組成相同時(shí)(T-O-R相),g越小,d33越大�？梢娕cBTH陶瓷類似,該陶瓷的相組成和g相互聯(lián)系,并共同影響d33。所有BCHT鐵電陶瓷中,Ts=1500℃,Tcal=1250℃,陶瓷有最大d33,對應(yīng)較大的2Pr,較小的2Ec,其值分別為 601 pC/N、20.4μC/cm2和 2.6 kV/cm,該陶瓷kp為 0.537。在上述工作的基礎(chǔ)上,同樣采用固相反應(yīng)方法制備摻入了 0.02-0.8 mol%Ho2O3的Ba0.85Ca0.15Hf0.1Ti0.9O3陶瓷,通過變溫介電(ε*=ε'-iε")譜研究了該陶瓷的相圖特征,同時(shí),借助材料分析的室溫XRD、變溫介電譜、掃描電子顯微鏡(SEM)、鐵電等測試手段,研究該陶瓷高壓電性能的微觀起源,發(fā)現(xiàn):1)Ho203摻入 Ba0.85Ca0.15Hf0.1Ti0.9O3 陶瓷后,Ho3+均進(jìn)入 Ba0.85Ca0.15 Hf0.1Ti0.9O3 晶格并與之形成了鈣鈦礦型固溶體;2)Ba0.85Ca0.15Hf0.1Ti0.9O3+x mol%Ho2O3 相圖顯示,Ho2O3摻入基本不改變材料的立方-四方相變溫度(370K附近),x=0.2處在鐵電相形成四方-正交相相界;3)當(dāng)x=0.1時(shí),陶瓷四方-正交-三方多相共存,d33最大,值為 657pC/N,對應(yīng)的κp、2Pr、2Ec和g分別為,0.54、19.6μC/cm2、9kV/cm和 20.1μm。接近相界處的多相共存是其具有大d33的主要原因。
【學(xué)位單位】：南京大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位年份】：2019
【中圖分類】：TM282;TQ174.75
【部分圖文】：

晶體在該方向上呈現(xiàn)極性。也就是說，這個(gè)方的。顯然，鐵電性對晶體點(diǎn)群對稱性有限制，在２（?Ｃ２?）、ｍ（?Ｃｓ）、ｍｍ２?（Ｃ２ｖ?）、４（?Ｃ４）、４ｍｍ（?Ｃ４ｖ）、３?（Ｃ６ｖ）?１０個(gè)點(diǎn)群具有特殊極性方向，稱為極性點(diǎn)群。的晶體才有可能具有自發(fā)極化２，３。??是鐵電性的充分條件，只有當(dāng)自發(fā)極化在外電鐵電性２。具有鐵電性的晶體都具有熱電性，這此，極化狀態(tài)將隨溫度的變化而變化，這種極性，熱電性是所有呈現(xiàn)自發(fā)極化材料的共性２，４，５壓電性。壓電性對晶體對稱性的要求與鐵電性有對稱中心的點(diǎn)群不一定是極性點(diǎn)群，因此，，反之則不然４。??Ｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ??

圖１．２電介質(zhì)材料之間的關(guān)系３??宄歷史可以追溯的１６６５年法國人Ｓｅｉｇｎｅｔｔｅ首次試４Ｈ４〇６?４Ｈ２０），但一般認(rèn)為是１９２０年Ｖａｌａｓｅｋ發(fā)

電容器、動態(tài)存取存儲器電容器、開關(guān)或光調(diào)制元件、電化學(xué)器件、隨機(jī)存儲器和微位移計(jì)等１（），１５＿１８。??與光作用引起的非線性光學(xué)效應(yīng)、反常光伏效應(yīng)、光折變效應(yīng)等，對應(yīng)的主要為非線性光學(xué)材料和光折變材料和光伏材料等，具體可應(yīng)用于激光頻換器、光信息存儲器、光學(xué)圖像識別和轉(zhuǎn)換器、實(shí)時(shí)全息干涉計(jì)量器、可吸收器１９、電子發(fā)射器和光伏器等ｌｆＵ９，２Ｑ。??以上這些應(yīng)用或多或少與ＦＰＴ有關(guān)。因此，本文的其中一個(gè)研究內(nèi)容是立微觀模型，來研宄典型ＦＰＴ過程。??．２壓電陶瓷及其應(yīng)用??２．１壓電陶瓷分類??
【參考文獻(xiàn)】

相關(guān)期刊論文 前3條

1 趙亞;李全祿;王勝利;秦梅寶;張引紅;;無鉛壓電陶瓷的研究與應(yīng)用進(jìn)展[J];硅酸鹽通報(bào);2010年03期

2 符春林;潘復(fù)生;蔡葦;鄧小玲;;鐵電材料的發(fā)展歷史和現(xiàn)狀[J];重慶科技學(xué)院學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版);2008年06期

3 王評初,羅豪甦,李東林,潘曉明,陳辛塵,殷之文;PMN-PT單晶與陶瓷在性能及相變方面的特點(diǎn)[J];無機(jī)材料學(xué)報(bào);2001年01期

本文編號：2873297