掺镧锆钛酸铅铁电厚膜陶瓷的电卡效应研究

发布时间：2017-09-02 22:29

  本文关键词：掺镧锆钛酸铅铁电厚膜陶瓷的电卡效应研究

  更多相关文章： 电卡效应 PLZT 厚膜陶瓷 流延成型法 致密烧结

【摘要】：制冷技术在当今的人类活动中有着极其广泛的应用。一百多年以来,蒸汽压缩技术作为主流制冷技术对推动人类文明发展发挥了巨大的作用。但是,由于压缩机工作时诸如摩擦、泄漏、有害传热等因素的存在,压缩机实际工作效率难以达到卡诺循环效率的50%,并且压缩机所用的冷媒为氟利昂或氯氟烃,这些气体易泄漏破坏臭氧层,弱化臭氧层对紫外线的过滤作用,不仅会引起全球性的温室效应,还会增加人类皮肤癌的发病几率,威胁人类的公共健康。随着能源、环保问题的日益突出,使蒸汽压缩技术面临严峻挑战,亟需探索一种高效、环保的制冷技术。本论文以有望取代蒸汽压缩制冷的铁电材料电卡效应制冷为研究对象,选取铁电材料中较为典型的掺镧锆钛酸铅(PLZT)陶瓷,研究其陶瓷厚膜中的电卡效应。电卡效应是指在极性电介质材料中由于外电场的改变引起的极化状态改变而产生的绝热温变和等温熵变。在掺杂改性的PZT陶瓷中,镧异价取代铅获得PLZT陶瓷,使得具有优异的介电、压电、热释电和电光性能,电导率和相变温度可以通过变化组分或添加杂质的方式加以调整,是一种理想的电卡材料。采用厚膜工艺制备的铁电电卡器件可以承受大的电场而不被击穿,同时厚膜器件具有工作电压低、使用频率范围宽的优点,能够与半导体集成电路工艺相兼容,有望产生优异的电卡效应。本文利用PbO、La2O3、ZrO2口Ti02等氧化物在高温下固相合成PLZT粉体,再通过流延成型工艺制成生坯膜并在合适的条件下进行烧结制备陶瓷,如何减小流延过程中浆料的气泡浓度以及制备厚度更小的坯膜是本文研究的一个重点。在此过程中,通过x射线衍射(XRD)、扫描电镜(SEM)等分析表征手段来监测样品中相的组成演变、陶瓷致密度与晶粒大小的变化以及晶界结构、晶界夹杂物等。随后利用介温测试装置、铁电测试系统对样品进行了电性能测试,得到了介电温谱、介电损耗、电滞回线结果,并得到PLZT8/65/35的电卡效应值,结果表明该材料有着优良的电卡效应(室温293K下,△S=1.08J/(kg·K),△T=0.96K)。本文最后通过制备PLZT11/70/30和PLZT7/82/18铁电陶瓷厚膜,并进行相关性能测试,进一步探索弛豫型铁电体和反铁电体的相变机制和电卡效应,结果表明PLZT11/70/30在423K的温度下ΔT=2.21K,而PLZT7/82/18在414K下ΔT=1.04K。为了寻求最佳的烧结曲线,本文以冷等静压压力、烧结温度、保温时间为变量设计了不同的烧结方案,探索了提高PLZT厚膜陶瓷致密度的工艺参数。利用SEM等测试手段,对不同方案的成品进行比较,结果表明进行冷等静压预处理、提高烧结温度、延长烧结时间等都是获得有高致密度PLZT陶瓷有效的方法。致密性良好的陶瓷成品能减小漏电流的影响,提高其铁电性能。
【关键词】：电卡效应 PLZT 厚膜陶瓷 流延成型法 致密烧结
【学位授予单位】：广东工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TB64
【目录】：

• 摘要4-6
• ABSTRACT6-14
• 第一章 绪论14-26
• 1.1 研究背景和意义14-15
• 1.2 课题简介15-23
• 1.2.1 电卡效应简述15
• 1.2.2 钙钛矿型铁电体15-17
• 1.2.3 掺镧锆钛酸铅陶瓷(PLZT)的性能简介17-19
• 1.2.4 厚膜材料与厚膜器件19-20
• 1.2.5 基于电卡效应的制冷技术原理20-23
• 1.3 国内外研究进展23-24
• 1.4 课题来源24-25
• 1.5 研究内容及方法25-26
• 第二章 PLZT 8/65/35陶瓷粉体的制备26-33
• 2.1 原料与设备26
• 2.2 行星式球磨工艺概述26-29
• 2.2.1 行星式球磨机简介27-28
• 2.2.2 行星式球磨机使用流程28-29
• 2.3 预烧温度的选择29-30
• 2.4 PLZT样品的X射线衍射分析30-32
• 2.5 本章小结32-33
• 第三章 流延成型法制备PLZT铁电厚膜33-41
• 3.1 流延成型法简介33-35
• 3.2 流延浆料的制备35-39
• 3.2.1 实验设备36
• 3.2.2 滚筒式罐磨机简介36-37
• 3.2.3 浆料配制方案37-38
• 3.2.4 浆料除泡38-39
• 3.3 流延法成型步骤39-40
• 3.4 本章小结40-41
• 第四章 PLZT厚膜陶瓷的烧结研究41-54
• 4.1 陶瓷烧结原理41-42
• 4.2 陶瓷的致密烧结42-43
• 4.2.1 致密烧结原理42-43
• 4.2.2 加快反应速度的工艺措施43
• 4.3 坯膜的等静压预处理43-46
• 4.3.1 等静压的理论基础44
• 4.3.2 冷等静压44-45
• 4.3.3 冷等静压操作步骤45-46
• 4.4 PLZT坯膜的烧结方案46-53
• 4.4.1 烧结方式46-47
• 4.4.2 利用SEM形貌表征结果设定烧结曲线47-53
• 4.5 本章小结53-54
• 第五章 PLZT厚膜陶瓷的性能测试54-68
• 5.1 测试准备54-55
• 5.2 电滞回线简介55-59
• 5.2.1 电滞回线原理55-57
• 5.2.2 电滞回线的测量57-59
• 5.3 介电温谱和介电损耗的测量59-62
• 5.3.1 居里温度和居里-外斯定律59-61
• 5.3.2 介温测试结果分析61-62
• 5.4 电卡效应的测量62-67
• 5.4.1 电卡效应原理62-65
• 5.4.2 数据处理65-67
• 5.5 本章小结67-68
• 第六章 反铁电体与弛豫型铁电体的研究68-78
• 6.1 反铁电体与弛豫型铁电体简介68-69
• 6.1.1 反铁电体68
• 6.1.2 弛豫型铁电体68-69
• 6.2 Pb_(0.89)La_(0.11)(Zr_(0.7)Ti_(0.3))_(0.9725)O_3和Pb_(0.93)La_(0.07)(Zr_(0.82)Ti_(0.18))_(0.9825)O_3的制备69-70
• 6.3 样品性能表征70-71
• 6.3.1 SEM扫描70
• 6.3.2 XRD衍射分析70-71
• 6.4 介电温谱和介电损耗的测量71-72
• 6.5 铁电性能测试结果72-77
• 6.5.1 电滞回线测量结果分析72-74
• 6.5.2 热释电系数结果74-77
• 6.6 本章小结77-78
• 结论78-80
• 参考文献80-86
• 攻读学位期间发表的论文86-88
• 致谢88

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