發(fā)布時(shí)間：2019-06-10 01:02

【摘要】：弛豫鐵電單晶通常具備比傳統(tǒng)的壓電材料更高的壓電性能,這為它們在土木工程結(jié)構(gòu)的健康檢測等應(yīng)用中提供了廣闊的應(yīng)用前景。雖然目前大部分學(xué)者都認(rèn)為局部納米極化區(qū)域是其具備高性能的主要原因,然而內(nèi)在的機(jī)制并未被完全認(rèn)知。另外,由于缺乏相應(yīng)的朗道系數(shù),相應(yīng)的熱力學(xué)理論計(jì)算也無法開展。結(jié)合實(shí)驗(yàn)觀測的現(xiàn)象,獲取朗道熱力學(xué)系數(shù),并結(jié)合實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行理論預(yù)測推算,進(jìn)而深入研究弛豫鐵電單晶中巨壓電的內(nèi)在機(jī)理及在外場下的響應(yīng),這對(duì)開拓新一代壓電單晶尤其是無鉛壓電單晶具有重要意義。基于此目的,本論文主要進(jìn)行了以下的幾項(xiàng)研究:(1)分析極性納米微區(qū)在弛豫體里中的作用,確定其在不同溫度下的狀態(tài)和性質(zhì),并考慮其本質(zhì)特性以及在弛豫鐵電體中的作用,通過確定弛豫鐵電里的相結(jié)構(gòu)性質(zhì),推斷納米微區(qū)對(duì)巨壓電效應(yīng)的貢獻(xiàn)。根據(jù)鈮鎂酸鉛的組分-溫度相圖,可以將晶體的相結(jié)構(gòu)分類為三方相,單斜相和四方相。結(jié)合不同溫度以及電場下的相結(jié)構(gòu)以及動(dòng)力學(xué)行為,結(jié)合朗道唯象理論的特征性質(zhì)分析獲取朗道系數(shù),并提出一系列具體的獲取朗道系數(shù)的測試以及驗(yàn)證方法。(2)對(duì)于準(zhǔn)同形相界偏左成份的PMN-0.30PT單晶,通過擬合雙電滯回線,介電系數(shù)隨溫度變化的趨勢以及三方和四方相發(fā)生轉(zhuǎn)變的溫度來擬合得到朗道系數(shù)�；讷@取的朗道系數(shù),利用熱力學(xué)理論計(jì)算其鐵電性能,并且與實(shí)驗(yàn)的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。利用熱力學(xué)的能量分布以及各種正則統(tǒng)計(jì)結(jié)果分析實(shí)驗(yàn)共存相,通過確定穩(wěn)定相的含量,計(jì)算共存區(qū)的性能,進(jìn)而與實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。(3)由于鐵電朗道理論系數(shù)主要通過單疇結(jié)構(gòu)的一些特征進(jìn)行確定,因此需要確保單晶在極化后是單疇狀態(tài)。采用偏光顯微鏡,可以進(jìn)行微疇結(jié)構(gòu)的觀測。通過將晶體切成不同形狀,對(duì)晶體施加不同方向的電場,結(jié)合晶體的光學(xué)特征,詳細(xì)觀測相變溫度附近晶體疇結(jié)構(gòu)的變化,分析歸納出晶體在形成單疇條件下的臨界電場的大小。基于電場對(duì)疇結(jié)構(gòu)的影響,本文在不同溫度和電場下極化單晶樣品,獲取不同的疇結(jié)構(gòu)。(4)對(duì)于常溫下以為四方相為主的PMN-0.36PT單晶,通過擬合電滯回線,介電系數(shù)以及誘導(dǎo)三方相所需的臨界電場獲得朗道參數(shù)。利用所獲取的朗道參數(shù),理論計(jì)算隨溫度變化的鐵電性能,并且與實(shí)驗(yàn)的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。此外本文首次利用熱力學(xué)理論推導(dǎo)了PMN-0.30PT和PMN-0.36PT薄膜的多疇結(jié)構(gòu)相圖,并分析其相圖存在的差異和原因。
[Abstract]:Relaxor ferroelectric single crystals usually have higher piezoelectric properties than traditional piezoelectric materials, which provides a broad application prospect for their applications in health detection of civil engineering structures. Although most scholars believe that the local nano-polarization region is the main reason for its high performance, the internal mechanism has not been fully recognized. In addition, due to the lack of corresponding Landau coefficient, the corresponding thermodynamic theoretical calculation can not be carried out. Combined with the phenomenon observed by experiment, the thermodynamic coefficient of Landau is obtained, and the theoretical prediction and calculation are carried out with the experimental results, and then the internal mechanism of giant piezoelectric in relaxor ferroelectric single crystal and its response in external field are deeply studied. This is of great significance for the development of a new generation of piezoelectric single crystals, especially lead-free piezoelectric single crystals. For this purpose, the following studies have been carried out in this paper: (1) the role of polar nanoparticles in relaxor is analyzed, and the state and properties of polar nanoparticles at different temperatures are determined. Considering its essential characteristics and its role in relaxor ferroelectrics, the contribution of nano-microregions to the giant piezoelectric effect is inferred by determining the phase structure properties of relaxor ferroelectrics. According to the composition-temperature phase diagram of lead magnesium niobate, the phase structure of the crystal can be classified into trihedral phase, monoclinic phase and tetrahedral phase. Combined with the phase structure and dynamic behavior under different temperature and electric field, combined with the characteristic properties of Landau's phenomenological theory, the Landau coefficient is obtained. A series of concrete test and verification methods for obtaining Landau coefficient are put forward. (2) for PMN-0.30PT single crystal with left component of quasi-homomorphism phase boundary, the double electric hysteretic line is fitted. The Landau coefficient is obtained by fitting the trend of dielectric coefficient with temperature and the temperature of tripartite and tetrahedral phase transition. Based on the obtained Landau coefficient, the ferroelectric properties are calculated by thermodynamic theory and compared with the experimental results. The energy distribution of thermodynamics and various regular statistical results are used to analyze the coexistence phase of the experiment. By determining the content of the stable phase, the performance of the coexistence region is calculated. Furthermore, the results are compared with the experimental results. (3) because the theoretical coefficients of ferroelectric Landau are mainly determined by some characteristics of single domain structure, it is necessary to ensure that the single crystal is in a single domain state after polarization. The microdomain structure can be observed by polarizing microscope. By cutting the crystal into different shapes and applying electric fields in different directions to the crystal, combined with the optical characteristics of the crystal, the change of crystal domain structure near the phase transition temperature is observed in detail. The critical electric field of the crystal under the condition of forming a single domain is analyzed and summarized. Based on the effect of electric field on domain structure, different domain structures are obtained by polarizing single crystal samples at different temperatures and electric fields. (4) for PMN-0.36PT single crystals, which are mainly tetrahedral phase at room temperature, the hysteretic loop is fitted. The dielectric coefficient and the critical electric field needed to induce the tripartite phase are obtained to obtain Landau parameters. The ferroelectric properties varying with temperature are calculated theoretically by using the obtained Landau parameters, and the results are compared with the experimental results. In addition, the multi-domain structure phase diagram of PMN-0.30PT and PMN-0.36PT thin films is derived by thermodynamic theory for the first time, and the difference and reason of phase diagram are analyzed.
【學(xué)位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號(hào)】：O738

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本文編號(hào)：2496045