元素摻雜改性PMN-PT壓電陶瓷和透明電光陶瓷的制備及性能研究
發(fā)布時間：2021-10-22 12:24
弛豫鐵電體鈮鎂酸鉛-鈦酸鉛[分子式為（1-x）Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-xPbTiO3,簡寫為PMN-xPT]具有優(yōu)異的壓電、電光、熱釋電等性能,已成為醫(yī)用超聲成像、工業(yè)無損探傷、水下聲吶、電光調(diào)制、紅外成像等領(lǐng)域高端器件的核心材料。1997年P(guān)MN-xPT單晶的發(fā)現(xiàn)被Science評價為“五十年來鐵電領(lǐng)域最令人激動的發(fā)現(xiàn)”,2018-2020年Science、Nature、Nature Materials先后報道通過稀土元素摻雜大幅提高了PMN-xPT單晶/陶瓷的壓電系數(shù)、機電耦合系數(shù)、透光率等性能,進一步提升了該材料的應(yīng)用前景。PMN-xPT基材料的元素摻雜改性及其高性能產(chǎn)生機理成為新的研究熱點。本論文采用鈮鐵礦法制備了元素摻雜改性的PMN-xPT的粉體并用兩步燒結(jié)法制備PMN-xPT陶瓷。研究了元素摻雜種類、元素摻雜濃度、PMN-xPT固溶配比、陶瓷制備工藝等因素對PMN-xPT陶瓷結(jié)構(gòu)和性能的影響。成功制備出高壓電系數(shù)、高機械品質(zhì)因素、高機電耦合系數(shù)的PMN-xPT壓電陶瓷,并制備出...
【文章來源】：青島大學(xué)山東省
【文章頁數(shù)】：78 頁
【學(xué)位級別】：碩士
【部分圖文】：
(a)ABO3鈣鈦礦晶胞簡要模型；(b)不同晶胞類型的自發(fā)極化取向[30]
青島大學(xué)碩士學(xué)位論文3突破[40]。到目前為止，PMN-PT的各項性能指標都取得比較好的結(jié)果：壓電方面，李飛等人通過Sm摻雜設(shè)計的PMN-PT單晶壓電系數(shù)高達3400~4100pC/N[41]；電光方面，美國BATI公司已做出商用的PMN-PT透明陶瓷器件，其透光率達到理論值71%，電光系數(shù)為28*10-16(m2/V2)[2]；熱釋電方面，羅豪甦等人研究的PMN-PT體系材料熱釋電系數(shù)達到1530μC/m2K[42]，已完全滿足紅外探測器的使用需求；其他效應(yīng)包括磁電耦合效應(yīng)，電卡效應(yīng)，能量存儲等方面也取得了比較好的成果[43-45]。圖1.2PMN-xPT的相圖，其中x為PT的摩爾含量[46]1.3PMN-PT鐵電體的壓電性能1.3.1壓電性能簡介在這里，PMN-PT所提及的機電性能包括壓電系數(shù)，機電耦合系數(shù)，機械品質(zhì)因數(shù)，介電損耗四個方面。壓電系數(shù)是衡量機電轉(zhuǎn)化能力的一個指標，壓電系數(shù)越大，表示其機電轉(zhuǎn)化能力越強，常用d來表示，包括d33，d31和d15等，在下文中未標明的地方都是指d33。壓電系數(shù)d的定義式有兩個[28]:=()E1-(1)=()T1-(2)
青島大學(xué)碩士學(xué)位論文7圖1.3硬性摻雜鐵電材料的一些特點,(a)未極化樣品電滯回線向x軸正向移動（歸為第一類不對稱電滯回線）;(b)極化后樣品電滯回線移動方向和測試方向有關(guān)，且回線本身已經(jīng)出現(xiàn)不對稱（歸為第二類不對稱電滯回線）；(c)極化后雙軸S-E曲線出現(xiàn)應(yīng)變記憶效應(yīng)；(d)樣品老化后出現(xiàn)對稱的雙電滯回線1.3.4PMN-PT弛豫鐵電體鐵電體的壓電理論決定壓電性能大小包括本征壓電響應(yīng)和非本征壓電響應(yīng)，對于鐵電體而言，本征壓電響應(yīng)包括晶格畸變和可逆疇壁運動，而非本征壓電響應(yīng)則指的是不可逆的疇壁運動[76]。晶格畸變被認為是壓電材料普遍存在的，是晶格本身對于外電場的響應(yīng)，這也是非鐵電壓電體壓電效應(yīng)的來源，而鐵電體具有較大壓電性的一個主要因素是鐵電體壓電來源還包括可逆和不可逆疇壁運動。一般認為，處于準同型相界的鐵電體材料，能夠比較容易實現(xiàn)各個鐵電相的相互轉(zhuǎn)換而獲得高壓電性能，然而這對于弛豫鐵電體是不夠的，下面將介紹幾種弛豫鐵電體高壓電的理論機制。（1）電場誘導(dǎo)相變在早期對PMN-PT單晶的研究中，ShroutTR和ParkSE為了解釋弛豫鐵電體的大應(yīng)變提出了場致相變理論[77]。二人在對三方相PMN-PT研究中發(fā)現(xiàn)，沿[001]方向極化的單晶具有超高壓電，而[111]方向極化的單晶的壓電系數(shù)很低，進而也提出
【參考文獻】：
期刊論文
[1]巨壓電弛豫鐵電單晶及其在醫(yī)用超聲換能器中的應(yīng)用[J]. 曹文武,孫恩偉,楊彬. 自然雜志. 2017(01)
[2]氧化物雜質(zhì)對Al2O3陶瓷力學(xué)性能與抗蠕變性的影響[J]. 卞杰,陳涵,戴海璐,郭露村. 硅酸鹽通報. 2015(01)
[3]弛豫鐵電單晶的研究進展—壓電效應(yīng)的起源研究[J]. 李飛,張樹君,李振榮,徐卓. 物理學(xué)進展. 2012(04)
[4]弛豫鐵電單晶0.93Pb(Zn1/3Nb2/3)O3-0.07PbTiO3的電光性能研究[J]. 孫恩偉,張銳,趙欣,曹文武. 光子學(xué)報. 2009(06)
[5]新型熱釋電材料及其在高性能紅外探測器中的應(yīng)用[J]. 羅豪甦. 紅外與激光工程. 2008(01)
[6]石英諧振式加速度計[J]. 楊貴玉,王鮮然,周建發(fā),孟麗娜. 遙測遙控. 2007(S1)
[7]影響透明陶瓷透光性能的因素[J]. 李長青,張明福,左洪波,孟松鶴,韓杰才,姚泰. 兵器材料科學(xué)與工程. 2006(02)
[8]新型壓電材料—弛豫鐵電體單晶的研究[J]. 羅豪■,沈關(guān)順,王評初,樂秀宏,殷之文. 無機材料學(xué)報. 1997(05)
博士論文
[1]弛豫基鐵電單晶鈮鎂酸鉛—鈦酸鉛相結(jié)構(gòu)及疇結(jié)構(gòu)研究[D]. 王瑞雪.哈爾濱工業(yè)大學(xué) 2016
[2]1-3系壓電復(fù)合材料及水聲換能器研究[D]. 李莉.北京郵電大學(xué) 2008
碩士論文
[1]高度透明PMN-PT基電光陶瓷的制備與性能研究[D]. 宋珍珍.青島大學(xué) 2017
本文編號：3451092
【文章來源】：青島大學(xué)山東省
【文章頁數(shù)】：78 頁
【學(xué)位級別】：碩士
【部分圖文】：
(a)ABO3鈣鈦礦晶胞簡要模型；(b)不同晶胞類型的自發(fā)極化取向[30]
青島大學(xué)碩士學(xué)位論文3突破[40]。到目前為止，PMN-PT的各項性能指標都取得比較好的結(jié)果：壓電方面，李飛等人通過Sm摻雜設(shè)計的PMN-PT單晶壓電系數(shù)高達3400~4100pC/N[41]；電光方面，美國BATI公司已做出商用的PMN-PT透明陶瓷器件，其透光率達到理論值71%，電光系數(shù)為28*10-16(m2/V2)[2]；熱釋電方面，羅豪甦等人研究的PMN-PT體系材料熱釋電系數(shù)達到1530μC/m2K[42]，已完全滿足紅外探測器的使用需求；其他效應(yīng)包括磁電耦合效應(yīng)，電卡效應(yīng)，能量存儲等方面也取得了比較好的成果[43-45]。圖1.2PMN-xPT的相圖，其中x為PT的摩爾含量[46]1.3PMN-PT鐵電體的壓電性能1.3.1壓電性能簡介在這里，PMN-PT所提及的機電性能包括壓電系數(shù)，機電耦合系數(shù)，機械品質(zhì)因數(shù)，介電損耗四個方面。壓電系數(shù)是衡量機電轉(zhuǎn)化能力的一個指標，壓電系數(shù)越大，表示其機電轉(zhuǎn)化能力越強，常用d來表示，包括d33，d31和d15等，在下文中未標明的地方都是指d33。壓電系數(shù)d的定義式有兩個[28]:=()E1-(1)=()T1-(2)
青島大學(xué)碩士學(xué)位論文7圖1.3硬性摻雜鐵電材料的一些特點,(a)未極化樣品電滯回線向x軸正向移動（歸為第一類不對稱電滯回線）;(b)極化后樣品電滯回線移動方向和測試方向有關(guān)，且回線本身已經(jīng)出現(xiàn)不對稱（歸為第二類不對稱電滯回線）；(c)極化后雙軸S-E曲線出現(xiàn)應(yīng)變記憶效應(yīng)；(d)樣品老化后出現(xiàn)對稱的雙電滯回線1.3.4PMN-PT弛豫鐵電體鐵電體的壓電理論決定壓電性能大小包括本征壓電響應(yīng)和非本征壓電響應(yīng)，對于鐵電體而言，本征壓電響應(yīng)包括晶格畸變和可逆疇壁運動，而非本征壓電響應(yīng)則指的是不可逆的疇壁運動[76]。晶格畸變被認為是壓電材料普遍存在的，是晶格本身對于外電場的響應(yīng)，這也是非鐵電壓電體壓電效應(yīng)的來源，而鐵電體具有較大壓電性的一個主要因素是鐵電體壓電來源還包括可逆和不可逆疇壁運動。一般認為，處于準同型相界的鐵電體材料，能夠比較容易實現(xiàn)各個鐵電相的相互轉(zhuǎn)換而獲得高壓電性能，然而這對于弛豫鐵電體是不夠的，下面將介紹幾種弛豫鐵電體高壓電的理論機制。（1）電場誘導(dǎo)相變在早期對PMN-PT單晶的研究中，ShroutTR和ParkSE為了解釋弛豫鐵電體的大應(yīng)變提出了場致相變理論[77]。二人在對三方相PMN-PT研究中發(fā)現(xiàn)，沿[001]方向極化的單晶具有超高壓電，而[111]方向極化的單晶的壓電系數(shù)很低，進而也提出
【參考文獻】：
期刊論文
[1]巨壓電弛豫鐵電單晶及其在醫(yī)用超聲換能器中的應(yīng)用[J]. 曹文武,孫恩偉,楊彬. 自然雜志. 2017(01)
[2]氧化物雜質(zhì)對Al2O3陶瓷力學(xué)性能與抗蠕變性的影響[J]. 卞杰,陳涵,戴海璐,郭露村. 硅酸鹽通報. 2015(01)
[3]弛豫鐵電單晶的研究進展—壓電效應(yīng)的起源研究[J]. 李飛,張樹君,李振榮,徐卓. 物理學(xué)進展. 2012(04)
[4]弛豫鐵電單晶0.93Pb(Zn1/3Nb2/3)O3-0.07PbTiO3的電光性能研究[J]. 孫恩偉,張銳,趙欣,曹文武. 光子學(xué)報. 2009(06)
[5]新型熱釋電材料及其在高性能紅外探測器中的應(yīng)用[J]. 羅豪甦. 紅外與激光工程. 2008(01)
[6]石英諧振式加速度計[J]. 楊貴玉,王鮮然,周建發(fā),孟麗娜. 遙測遙控. 2007(S1)
[7]影響透明陶瓷透光性能的因素[J]. 李長青,張明福,左洪波,孟松鶴,韓杰才,姚泰. 兵器材料科學(xué)與工程. 2006(02)
[8]新型壓電材料—弛豫鐵電體單晶的研究[J]. 羅豪■,沈關(guān)順,王評初,樂秀宏,殷之文. 無機材料學(xué)報. 1997(05)
博士論文
[1]弛豫基鐵電單晶鈮鎂酸鉛—鈦酸鉛相結(jié)構(gòu)及疇結(jié)構(gòu)研究[D]. 王瑞雪.哈爾濱工業(yè)大學(xué) 2016
[2]1-3系壓電復(fù)合材料及水聲換能器研究[D]. 李莉.北京郵電大學(xué) 2008
碩士論文
[1]高度透明PMN-PT基電光陶瓷的制備與性能研究[D]. 宋珍珍.青島大學(xué) 2017
本文編號：3451092
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