铌酸锶钡陶瓷粉末的共沉淀法制备及其陶瓷的电卡效应

发布时间：2020-05-08 04:30

【摘要】：电卡制冷是一种环保,高效的新型固态制冷技术。非充满型钨青铜结构陶瓷SrxBa1-xNb2O6(x=0.25-0.75,简称SBN)具有良好的室温热释电性能,且不含铅等对人体和环境有害的元素,是理想的电卡效应材料。本文探讨了共沉淀法制备铌酸锶钡粉末的合成机理,系统地分析了陶瓷的介电、铁电性能及电卡效应与晶体结构、组成及微结构之间的关系。本文采用一种新颖的共沉淀法合成了 SBN(x = 0.4,0.5,0.6及0.75)前驱体粉末,并确定不同成分的合成温度。用X射线粉末衍射,拉曼和红外光谱等测试分析了不同温度煅烧粉末的组成与结构,发现其煅烧过程中的反应历程和传统固相法相似。但共沉淀法制得的粉末颗粒尺寸更小成分更均匀,各相生成温度都比固相法低。利用该法制得的陶瓷粉末制备了相应组分的SBN陶瓷(SBN40,SBN50,SBN60和SBN75),其烧结温度随Sr含量增加而升高,最佳致密度则随Sr含量增加而下降。研究发现,陶瓷性能有较强的成分依赖性,随Sr含量升高,居里温度由110 ℃逐渐下降到室温附近,陶瓷由正常铁电体转变为弛豫铁电体。SBN60表现出最优异的电卡性能,在90℃,90kV/cm电场下△T和△S分别为0.51℃和0.65J/(kg·K)。与传统固相法制得的SBN60陶瓷相比,达到最大ECE值的温度降低了 15℃,同时△T和△S分别提高了 24.4%和71.1%。用共沉淀法制备了 Sr0.7Ba0.3CeyNb2O6+δ 前驱体粉末(y= 0,0.02,0.04 和 0.06)并烧结了相应成分的 SBN70 陶瓷(SBN70,SBN70-Ce2,SBN70-Ce4 及 SBN70-Ce6)。SBN陶瓷晶粒尺寸和晶胞体积随Ce含量增加而减小,然而陶瓷中的柱状晶问题没有得到改善,且陶瓷气孔率上升,导致致密度下降。测试发现,随着Ce含量的增加,陶瓷居里温度逐渐下降,陶瓷弛豫性变得更强,室温介电强度变大。适量的Ce元素可以提高SBN70室温附近的电卡效应值,SBN70-Ce2在20℃和100kV/cm电场下AT和AS分别为0.33℃和0.46J/(kg·K),比未添加Ce元素的SBN70提高了 32%和9.5%。
【图文】：

示意图,电卡,绝热量热法,示意图

样品温度的测量精度非常高（可以检测到低至１０－４Ｋ的温度变化［１８】）。这两个特逡逑点使其在测量ＥＣＥ大小时大大减少了实验误差，提高了结果的准确性。逡逑许多商业仪器经过简单地改进即可直接用于电卡效应的测量，图１．２是绝热逡逑量热法电卡效应测量系统的结构示意图｜１９］。可以看出在改进的系统中，使用了一逡逑个高压可编程信号发生器来产生电场信号，在样品架上安装了与ＤＳＣ法中类似逡逑的引线以对样品施加电场，测量触发器系统保证了温度测量和电场施加信号的同逡逑步。数字万用表（ＤＭＭ）通过测量铂金温度计（ＰＲＴ）和附着在样品上的微珠热敏器逡逑件的电阻获得电子信号，浴温控制器可以精确控制周围的浴温并获得仪器内部的逡逑热信号，，这两个信号随后被收集到计算机上。逡逑绝热量热仪内部并非是完全绝热的，测量过程中的热损耗是主要的误差来逡逑源，一般可以通过优化量热计设计和调节电脉冲的速率实现误差最小化。此外与逡逑样品热容相比

电卡,空气压缩,制冷循环

引起工作体的墒变驱动。常用卡诺循环来分析电卡制冷的过程【３Ｑ］，除此之外，也逡逑有研究者用其它热力学循环比如布雷顿循环和埃里克森循环来解释此过程［３ｈ３２Ｉ。逡逑图１．３［Ｗ以卡诺循环为例对比了电卡制冷循环和压缩制冷循环，可以看出电卡逡逑效应的制冷过程经历了两个绝热和两个传热过程：逡逑Ｖ邋Ｙ邋＼逡逑＾邋Ｂｐ邋－邋＿邋－逦１邋－逡逑、ｙ逦逦邋ｃＴ逡逑图１．３邋（ａ）电卡制冷循环和（ｂ）空气压缩循环的对比【３３］逡逑Ｆｉｇ．邋１．３邋Ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎ邋ｂｅｔｗｅｅｎ邋（ａ）ｔｈｅ邋ｅｌｅｃｔｒｏｃａｌｏｒｉｃ邋ｃｙｃｌｅ邋ａｎｄ邋（ｂ）ｔｈｅ邋ｖａｐｏｒ－ｃｏｍｐｒｅｓｓｉｏｎ邋ｅｙｅｌｅｔ３３＾逡逑（１）绝热极化过程：对隔热的电卡材料施加电场，在外电场作用下偶极子有序排逡逑６逡逑
【学位授予单位】：浙江大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TB64;TQ174.7;TB383.3

【参考文献】