铌酸钾钠基无铅压电层状磁电复合材料的制备及其性能研究

发布时间：2019-04-29 07:55

【摘要】：随着科学技术的飞速发展,电子元器件的微型化和多功能化逐渐成为研究领域的热点。磁电复合材料同时兼具铁电性、铁磁性和磁电耦合性能,在传感器、滤波器、相位器、数据储存器等其他电子器件领域有着十分广阔的应用前景。但单相磁电材料在室温以上时,磁电效应十分微弱,很难应用到实际,故现在的磁电材料多为磁电复合材料。磁电复合材料从结构上主要分为颗粒复合材料和层状复合材料,其中,层状结构磁电复合材料因具有其较高的磁电耦合系数而倍受关注。同时,当前的无铅磁电复合材料多以BaTiO_3基为主,磁电耦合系数相对较低,为了进一步增强磁电效应,本文从选取高性能的压电材料入手,通过调整材料结构和改变成型工艺来制备层状磁电复合材料,并对其性能进行研究,探讨影响磁电复合材料磁电效应的因素。磁电效应是通过压电效应和磁致伸缩效应的乘积来实现的,因此,磁电效应不仅与压电铁磁两单相的性能密不可分,同时两相的相对含量也将直接影响复合材料的磁电耦合性能。本文主要以掺杂改性的KNN基压电材料为压电相,与铁磁相(Ni,Zn)FeO_3和CoFe_2O_4进行复合制备层状磁电复合材料。采用X射线衍射仪(XRD)和电子扫描显微镜(SEM)对其物相组成及结构进行分析,通过铁电测试仪对其电学性能进行分析,最后通过自组装磁电测试仪研究复合材料的磁电性能,并对其进行比较,得出层状复合材料性能的优越性。首先,以Li、Ta、Sb离子共掺的(K_(0.45)Na_(0.55))_(0.98)Li_(0.02)(Nb_(0.77)Ta_(0.18)Sb_(0.05))O_3(LKNNTS)为压电相,以Ni_(0.37)Cu_(0.20)Zn_(0.43)Fe_(1.92)O_(3.88)(NCZF)为铁磁相,垒层叠压两相,冷等静压,共烧得到LKNNTS/NCZF层状结构的复合材料。研究表明,在高温烧结过程中,复合材料中的LKNNTS相和NCZF相在界面处没有发生化学反应和明显的元素扩散。通过介电、铁电和磁电性能的测试发现,层状复合材料相比颗粒型复合材料具有较大的电阻率,较高的居里温度(240oC),典型的铁电体饱和电滞回线,较低的漏电流密度和优异的磁电耦合系数。层状复合材料的最大磁电耦合系数为133 m V/cm Oe,是颗粒型复合材料(34 m V/cm Oe)的4倍左右。其次,以单掺Li离子的Li_（0.058)(Na_(0.535)K_(0.48))_(0.942)NbO_3(LKNN)为压电相,以具有高磁致伸缩效应的Co_(0.6)Zn_(0.4)Fe_(1.7)Mn_(0.3)O_4(CZFM)为铁磁相,向其中加入烧结助剂(LiCO_3),采用同一方法使两相共烧在一起,得到LKNN/CZFM层状复合材料。结果表明:LKNN和CZFM两相可以共存且不发生化学反应和元素扩散,两相层状结构明显,晶粒发育良好,致密度较高,没有明显的缺陷和气孔。LKNN/CZFM层状结构复合材料表现出优异的磁电效应,最大的磁电耦合系数高达285 m V/cm Oe,相比于LKNNTS/NCZF层状复合材料有了很大提高。为了进一步提高层状复合材料的磁电效应,采用流延成型的方法制备出LKNN/CZFM多层结构的复合材料,所得膜材呈二维薄平分布,材料缺陷相对尺寸较小,性能更一致,更稳定。对比三层结构复合材料,结果表明:多层结构进一步提高了复合材料的电阻,降低了泄漏电流密度,击穿场强大大增强,铁磁性能也有所提高,从而提高了复合材料的磁电效应。LKNN/CZFM多层复合材料的最大磁电耦合系数为307 m V/cm Oe,相比于现阶段同类无铅层状磁电复合材料,磁电耦合性能有了大幅度的提升。
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【学位授予单位】：陕西科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TB332

【参考文献】