本文關(guān)鍵詞：稀土摻雜的鈦酸鉍鈉基無(wú)鉛壓電陶瓷的結(jié)構(gòu)、鐵電、壓電及熒光性能研究

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【摘要】：壓電陶瓷材料是一類非常重要的功能材料,在制動(dòng)器、換能器、濾波器等方面都有廣泛應(yīng)用。但是,目前使用最多的是鉛基壓電陶瓷,眾所周知,鉛基壓電陶瓷材料中含有強(qiáng)毒性的氧化鉛,在其制備生產(chǎn)、使用及廢棄處理過(guò)程中,都會(huì)對(duì)生態(tài)環(huán)境及人類健康產(chǎn)生嚴(yán)重的危害。因此,近年來(lái),越來(lái)越多的科研工作者們致力于發(fā)展和研究高性能的無(wú)鉛壓電材料,以替代傳統(tǒng)鉛基陶瓷。鈦酸鉍鈉(Bi_(0.5)Na_(0.5)TiO_3)陶瓷因具有良好的鐵電性和高的居里溫度被譽(yù)為最有希望替代鉛基陶瓷的材料體系,但同時(shí)高的矯頑場(chǎng)使得其極化變得困難,因而壓電性能較差。另一方面,隨著科技發(fā)展的日新月異,器件朝著微型化和多功能化發(fā)展。近年來(lái),稀土摻雜的鐵電-熒光多功能材料受到廣泛關(guān)注。本文將稀土離子引入Bi_(0.5)Na_(0.5)TiO_3基材料中形成了0.94(Bi_(1-x)Dy_x)_(0.5)Na_(0.5)TiO_3-0.06Ba TiO_3、0.94(Bi_(1-x)Sm_xNa)_(0.5)TiO_3-0.06Ba TiO_3、(Bi_(1-x)Tm_x)_(0.5)(Na_(0.85)K_(0.15))_(0.5)TiO_3陶瓷體系,重點(diǎn)研究了稀土摻雜對(duì)BNT基鈣鈦礦材料鐵電、壓電和熒光性能的影響。主要研究?jī)?nèi)容及結(jié)果如下:(1)采用傳統(tǒng)固相法成功制備了0.94(Bi_(1-x)Dy_x)_(0.5)Na_(0.5)TiO_3-0.06Ba TiO_3(x=0,0.005,0.010,0.015,0.020,0.025和0.030)陶瓷樣品,系統(tǒng)研究了組分對(duì)陶瓷鐵電、壓電和熒光性能的影響。所有陶瓷樣品均為純的鈣鈦礦結(jié)構(gòu),且形成了三方相和四方相的準(zhǔn)同型相界(MPB)。部分Dy~(3+)取代Bi~(3+)顯著增強(qiáng)了材料的壓電性能。在x=0.025時(shí),材料獲得最優(yōu)的壓電性能:d33=190 p C/N,kP=37.2%。添加Dy~(3+)之后誘導(dǎo)出了材料的熒光性能,在478 nm附近發(fā)藍(lán)光,575 nm附近發(fā)黃光,分別對(duì)應(yīng)Dy~(3+)的~4F_(9/2)→6H15/2和~4F_(9/2)→6H13/2的Dy~(3+)躍遷。在x=0.025時(shí),陶瓷的熒光性能最優(yōu)。研究結(jié)果顯示出,當(dāng)Dy~(3+)摻雜量為2.5 mol%時(shí),能獲得了最佳的壓電性能,強(qiáng)的鐵電性能和優(yōu)異的熒光性能。(2)采用傳統(tǒng)固相法制備了0.94(Bi_(1-x)Sm_xNa)_(0.5)TiO_3-0.06Ba TiO_3(x=0-0.05)無(wú)鉛壓電陶瓷,系統(tǒng)研究了材料的結(jié)構(gòu)、壓電、鐵電和熒光性能。所有的的陶瓷具有良好的致密性。陶瓷樣品均為純的鈣鈦礦結(jié)構(gòu),且為三方相和四方相共存。在少量摻雜Sm~(3+)(x≤0.035)后,陶瓷壓電性能得到強(qiáng)化,d33由147 p C/N增加至172p C/N,然而,過(guò)量的Sm~(3+)(x=0.035-0.05)則會(huì)劣化其壓電性能,d33由172 p C/N逐步減少至18 p C/N。在406 nm激發(fā)波長(zhǎng)下,陶瓷顯示出三個(gè)明顯的發(fā)射峰,分別位于563 nm(~4G_(5/2)→~6H_(5/2)),597 nm(~4G_(5/2)→6H7/2)和645 nm(~4G_(5/2)→~6H_(9/2))。在564 nm發(fā)射波長(zhǎng)下,能得到Sm~(3+)的5個(gè)激發(fā)峰位于407,420,464,440和479 nm處,分別對(duì)應(yīng)Sm~(3+)的~6H_(5/2)→~4F_(7/2),~6H_(5/2)→(6P,4P)5/2,~6H_(5/2)→4G9/2,~6H_(5/2)→~4I_(11/2),13/2和~6H_(5/2)→~4M_(15/2)能級(jí)躍遷。其中,~4G_(5/2)→~6H_(5/2)和~6H_(5/2)→~4F_(7/2)對(duì)應(yīng)的發(fā)射峰強(qiáng)度隨著x的增大呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)。在x=0.035時(shí),材料顯示出最優(yōu)的熒光性能。材料的平均衰減時(shí)間τav隨著x的增大由1.0869 ms減少至0.7850 ms。(3)采用傳統(tǒng)固相法制備了(Bi_(1-x)Tm_x)_(0.5)(Na_(0.85)K_(0.15))_(0.5)TiO_3無(wú)鉛壓電陶瓷,研究了Tm~(3+)摻雜量對(duì)其結(jié)構(gòu)、鐵電性、壓電性和上轉(zhuǎn)換發(fā)光性能的影響。所有陶瓷均為純的鈣鈦礦結(jié)構(gòu),且Tm~(3+)固溶進(jìn)了Bi_(0.5)(Na_(0.85)K_(0.15))_(0.5)TiO_3的晶格中形成了均一均勻的固溶體,陶瓷存在三方-四方的準(zhǔn)同型相界。Tm~(3+)的摻雜使得陶瓷的粒徑發(fā)生明顯的變化,呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)。當(dāng)x逐漸增加至0.08時(shí),陶瓷的矯頑場(chǎng)Ec從4.10 k V/mm逐漸減小至0.98 k V/mm,鐵電性能得到強(qiáng)化。在摻雜少量的Tm~(3+)后,陶瓷的壓電性能得到顯著提高,在x=0.02時(shí),壓電系數(shù)d33達(dá)到153p C/N。但是,過(guò)量的Tm~(3+)會(huì)弱化其壓電性能。陶瓷顯示出明顯的上轉(zhuǎn)換發(fā)光性能,在980 nm的激發(fā)波長(zhǎng)下,陶瓷能獲得三個(gè)非常明顯的特征峰,分別位于486nm、550 nm和649 nm處,且分別對(duì)應(yīng)了Tm~(3+)三個(gè)能級(jí)躍遷:~1G_4→~3H_6、~1G_4→~3F_4和~3 F _(23)→~3H_6。
【關(guān)鍵詞】：鈦酸鉍鈉 鈣鈦礦 鐵電性能 壓電性能 熒光性能
【學(xué)位授予單位】：四川師范大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號(hào)】：TQ174.1
【目錄】：

• 摘要4-6
• Abstract6-10
• 1 緒論10-30
• 1.1 引言10
• 1.2 壓電和鐵電材料10-14
• 1.3 無(wú)鉛壓電陶瓷14-23
• 1.4 鈦酸鉍鈉基無(wú)鉛壓電陶瓷的研究現(xiàn)狀23-27
• 1.5 稀土發(fā)光材料簡(jiǎn)述27-28
• 1.6 本文的立項(xiàng)依據(jù)和主要研究?jī)?nèi)容28-30
• 2 陶瓷的制備工藝及其性能測(cè)試方法30-37
• 2.1 引言30
• 2.2 制備工藝30-37
• 3 0.94(Bi_(1-x)Dy_x)_(0.5)Na_(0.5)TiO_3 0.06BaTiO_3陶瓷的結(jié)構(gòu)、壓電、鐵電及熒光性能37-48
• 3.1 引言37-38
• 3.2 0.94(Bi_(1-x)Dy_x)_(0.5)Na_(0.5)TiO_3 0.06BaTiO_3陶瓷的晶相結(jié)構(gòu)和微觀結(jié)構(gòu)38-40
• 3.3 0.94(Bi_(1-x)Dy_x)_(0.5)Na_(0.5)TiO_3 0.06BaTiO_3陶瓷的介電、鐵電和壓電性能40-43
• 3.4 0.94(Bi_(1-x)Dy_x)_(0.5)Na_(0.5)TiO_3 0.06BaTiO_3陶瓷的熒光性能43-46
• 3.5 本章小結(jié)46-48
• 4 0.94(Bi1-xSmx)_(0.5)Na_(0.5)TiO_3 0.06BaTiO_3陶瓷的結(jié)構(gòu)、壓電、鐵電及熒光性能48-59
• 4.1 引言48
• 4.2 0.94(Bi1-xSmx)_(0.5)Na_(0.5)TiO_3 0.06BaTiO_3陶瓷的晶相結(jié)構(gòu)和微觀結(jié)構(gòu)48-50
• 4.3 0.94(Bi1-xSmx)_(0.5)Na_(0.5)TiO_3 0.06BaTiO_3陶瓷的介電、鐵電和壓電性能50-53
• 4.4 0.94(Bi1-xSmx)_(0.5)Na_(0.5)TiO_3 0.06BaTiO_3陶瓷的熒光性能53-57
• 4.5 本章小結(jié)57-59
• 5 (Bi_(1-x)Tm_x)_(0.5)(Na_(0.85)K_(0.15))0.5TiO_3陶瓷的結(jié)構(gòu)、壓電、鐵電及熒光性能研究59-70
• 5.1 引言59
• 5.2 (Bi_(1-x)Tm_x)_(0.5)(Na_(0.85)K_(0.15))0.5TiO_3陶瓷的晶相結(jié)構(gòu)和微觀結(jié)構(gòu)59-64
• 5.3 (Bi_(1-x)Tm_x)_(0.5)(Na_(0.85)K_(0.15))0.5TiO_3陶瓷的介電、鐵電和壓電性能64-67
• 5.4 (Bi_(1-x)Tm_x)_(0.5)(Na_(0.85)K_(0.15))0.5TiO_3陶瓷的上轉(zhuǎn)換發(fā)光性能67-68
• 5.5 本章小結(jié)68-70
• 6 總結(jié)與展望70-72
• 參考文獻(xiàn)72-82
• 致謝82-83
• 碩士期間研究成果83-84

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