壓電陶瓷因其優(yōu)異的鐵電和壓電性,被廣泛應(yīng)用在傳感器、換能器、變壓器和醫(yī)學成像等領(lǐng)域,然而傳統(tǒng)的Pb（Zr,Ti）O₃（簡稱PZT）陶瓷含有大量的鉛,污染環(huán)境且對人類健康有害,因此研究無鉛壓電陶瓷變得十分重要。本論文以Ba Ti O₃（簡稱BT）材料為基體,對其進行第一性原理的計算和摻雜改性的研究。首先,對A、B位摻雜Ba Ti O₃晶胞進行第一性原理計算,結(jié)果表明,Ca原子的摻入使BT晶胞的Ba-O鍵長增加,Ti-O鍵長縮短,Zr原子的摻入對晶胞相應(yīng)鍵長的影響相反。Ca和Zr原子使Ba-O鍵長增加,Ti-O鍵長縮短。由于計算中交叉相的處理,得到純四方相鈦酸鋇的禁帶寬度比實驗值小,約為1.781e V,隨著Ca和Zr原子的摻雜使禁帶寬度增加且總的態(tài)密度升高,導電性降低。從介電函數(shù)的虛部和損耗函數(shù)來看,Ca和Zr原子的摻入降低了晶體的介電損耗。其次,本論文以(Ba_0.85Ca_0.15)(Zr_0.1Ti_0.9)O₃（簡... 

【文章來源】：哈爾濱理工大學黑龍江省

【文章頁數(shù)】：75 頁

【學位級別】：碩士

【部分圖文】：

壓電效應(yīng)示意圖：a)正壓電效應(yīng)；b)逆壓電效應(yīng)Fig.1-1Schematicdiagramofpiezoelectriceffect：a)Positivepiezoelectriceffect;b)Inversepiezoelectriceffect

哈爾濱理工大學工學碩士學位論文3圖1-2鐵電材料的電滯回線及極化方向：EC為矯頑場；Pr為剩余極化強度；Ps為自發(fā)極化強度Fig.1-2Thehysteresisloopofferroelectricmaterialsanditscorrespondingpolarizationdirection:ECiscoercivefield;Prisremanentpolarization;Psisspontaneouspolarization鐵電體在某一溫度會發(fā)生從非鐵電相到鐵電相的轉(zhuǎn)變，或者從鐵電相到非鐵電相的轉(zhuǎn)變，這一轉(zhuǎn)變伴隨著結(jié)構(gòu)的變化，把這個結(jié)構(gòu)相變的溫度稱為居里溫度(TC)。這是鐵電體非常重要的臨界特性，當溫度高于TC時，晶體發(fā)生結(jié)構(gòu)相轉(zhuǎn)變，自發(fā)極化消失，呈現(xiàn)非鐵電相（順電相），沒有鐵電性；當溫度由高溫降至低溫經(jīng)過TC時，鐵電體發(fā)生順電相-鐵電相轉(zhuǎn)變；當溫度低于TC時，自發(fā)極化出現(xiàn)，鐵電體表現(xiàn)出鐵電性。一般來說，晶體的鐵電結(jié)構(gòu)可以看作是順電結(jié)構(gòu)經(jīng)過微小畸變而得到[9]。從電滯回線可以看出鐵電體的極化是非線性，也就是說P和E不成正比關(guān)系，從中可以得知鐵電體的介電常數(shù)并不是一個固定值，而是依賴于外加電常且介電常數(shù)在居里溫度附近出現(xiàn)很大的數(shù)值，這是鐵電體在臨近溫度附近的“介電反�！�。1.2.2壓電材料與鐵電材料的關(guān)系鐵電體在居里點以下必然是極性晶體，不具有對稱中心，因而具有壓電性。在居里溫度以上，一些晶體已經(jīng)發(fā)生了結(jié)構(gòu)相轉(zhuǎn)變，呈現(xiàn)順電相，但是其順電相無對稱中心，仍然可以表現(xiàn)出壓電性能，比如磷酸二氫鉀(KDP)等。順電相具有對稱中心，所以在居里溫度以上，不具有鐵電性，也不具有壓電性[10]。

哈爾濱理工大學工學碩士學位論文4從32種點群的對稱類型來看，只有不具有對稱中心的20種點群才可能具有壓電性。壓電晶體中，具有唯一單向極軸的晶體，才有可能是熱釋電晶體（包括10種點群，稱為極性點群），或者說具有自發(fā)極化的晶體才是熱釋電晶體。如果熱釋電晶體的極化強度P與極化電場E之間表現(xiàn)為電滯回線，這種晶體依舊是鐵電晶體。如果晶體具有鐵電性，那么必然具有壓電性和熱釋電性，比如BaTiO3、硫酸三甘肽(TGS)等。反之，晶體具有熱釋電性則必擁有壓電性，但是不一定具有鐵電性，比如LiSO4。常見的壓電晶體如水晶、鍺酸鉍等，沒有鐵電性和熱釋電性。上述關(guān)系具體如圖1-3所示。綜上所述，當談到某種晶體是壓電晶體還是鐵電晶體，不能脫離具體的溫度條件，鐵電體在居里溫度以下必然是壓電體。鐵電體在非鐵電相，如果不具有對稱中心則具有壓電性，如果具有對稱中心，那么該鐵電體在非鐵電相不具有壓電性[8]。圖1-3壓電體、熱釋電體及鐵電體之間的關(guān)系Fig.1-3Therelationshipbetweenpiezoelectric,pyroelectricandferroelectricbodies1.3壓電陶瓷的內(nèi)部結(jié)構(gòu)1.3.1晶格結(jié)構(gòu)壓電陶瓷是由小晶粒無規(guī)則鑲嵌而成，所以嚴格來說壓電陶瓷是多晶體。有序排列的原子或離子排列成晶格構(gòu)成小晶粒，可當做是一粒小單晶，每個小晶粒內(nèi)部還具有鐵電疇。整體來看，晶粒與晶粒之間的晶格方向不一定相同，排列是無規(guī)則的，即每個單晶的取向是隨機的，晶粒間的自發(fā)極化矢量之和為零，所以未經(jīng)極化的壓電陶瓷宏觀上不顯示壓電性，壓電材料的壓電性必須經(jīng)過極化才能在宏觀上顯示出來[12]。目前應(yīng)用最廣泛的壓電陶瓷（如PZT、BT基壓電陶瓷和KNN基陶瓷等）均為ABO3型鈣鈦礦結(jié)構(gòu)，其化學式為ABO3。A位離子呈+1、+2、+3價，離

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本文編號：3579501