PLZT压电陶瓷的弛豫特性和压电特性研究

发布时间：2020-11-10 04:44

　　 弛豫铁电体从发现至今已有半个多世纪,由于具备优异的介电、压电和热释电等特性使得其在换能器、精密定位、储能、制冷等应用上具有广阔的应用前景,并获得了广泛的研究。然而,在纳米畴提高压电性的机理、弛豫铁电体的微观结构特征等问题方面依然存在许多疑问和争议。本论文以PLZT为研究对象,采用固相反应法合成了Sb_2O_5掺杂的(Pb_(1-x)La_x)(Zr_yTi_(1-y))_(1-x/4)O_3(其中x=5 mol%~8 mol%,y=56 mol%~60 mol%)压电陶瓷。室温介电和压电特性表征发现,在La6 mol%、Zr/Ti58/42的区域内,大部分组成都具有优异的介电和压电性能(d_(33)700 pC/N,ε_r5000)。最优的综合性能在6.5/59/41处取得,此时ε_r=6076,tanδ=0.025,d_(33)=821 pC/N,k_p=0.70和Q_m=40。为了探究其强压电性的机理,本论文在上述实验基础上,固定Zr/Ti摩尔比为59/41,详细研究了La含量从0 mol%增大至6.5 mol%时,PLZT的相结构、介电和压电性能,以及弛豫特性的变化。研究表明,随着La含量的增加,PLZT的相结构依次经历三方相到四方相、四方相到伪立方相的转变,PLZT逐渐由正常铁电体转变为弛豫铁电体。当La≥6 mol%时,样品极化后依然呈现出明显的弛豫特性。与此对应的是,此时ε_r、d_(33)和k_p都快速增大,Q_m则快速减小。由双极性电场下的电滞回线表征发现,当La≥6 mol%时,在2 kV/mm下的剩余极化强度P_r与最大极化强度P_(max)的比值P_r/P_(max)急剧减小;所有极化样品在单极性电场下的极化响应都存在非线性区(低电场)和线性区(高电场),但当La≥6 mol%时,样品在更低的电场下表现出更显著的非线性响应,且这些非线性响应是一个可逆的过程。这些都表明La≥6 mol%样品的电畴处于不稳定的状态,施加很小的电场即可使极化强度矢量发生旋转或相结构发生变化,因而使得样品具有很强的介电和压电响应。而在极化样品中依然存在的纳米畴是这一不稳定性的来源。弛豫铁电体和正常铁电体的去极化过程一般被认为是不同的,弛豫铁电体的去极化是长程有序性破缺形成短程有序的过程,而正常铁电体中则涉及铁电相到顺电相的转变。本论文中采用谐振特性温谱和介电温谱详细研究了PLZT从正铁电体转变为弛豫铁电体过程中去极化温度的演变历程。研究表明,所有样品的谐振频率f_r和反谐振频率f_a随着温度升高都存在一个最小值,在f_a最小值对应的温度T_(min-a)处,(35)f/f_r((35)f=f_r-f_a)和(35)|Z|均趋于0,表明样品在T_(min-a)处发生了去极化。结合介电温谱发现,介电损耗峰温度T_(loss)与T_(min-a)吻合的较好。在La=6.5 mol%样品中,T_(loss)与介电异常峰温度T_d*不重合,说明T_d*不是去极化温度。T_d*的出现可能与畴的解耦有关,而T_(loss)则对应于宏观极化强度的消失,表明样品的去极化过程包含两个阶段:畴的解耦和畴取向的无序化。这种去极化过程存在于所有样品中。随着La含量增大,T_(loss)逐渐偏离介电峰值温度T_m,且即使在La=0 mol%样品中,T_(loss)≠T_m,说明所有极化样品去极化后,至少在T_(loss)~T_m温区内,其极化强度矢量(微区)处于无序的状态。极化前后的介电损耗温谱在T_(loss)处存在相似的异常变化,且在T_(loss)以上,极化前后的损耗温谱重合,这进一步证实了在T_(loss)处去极化的发生,也说明极化前的样品在T_(loss)处也会发生畴构型的转变。结合以上实验结果可推知,正常铁电体和弛豫铁电体在去极化和冻结过程方面并未有本质上的差别,正常铁电体转变为弛豫铁电体是一个渐进的过程,而T_m和T_(loss)间的温差(35)T可作为样品弛豫程度的表征参数。为了提高样品的压电性,在前述所有实验样品中均添加了1 wt%的Sb_2O_5。然而目前Sb_2O_5对x/59/41弛豫特性和压电性的作用机理依然不清楚。本论文中详细研究了La_2O_3和Sb_2O_5共掺杂对PZT的相结构、弛豫特性和电性能的影响。研究发现,随着Sb_2O_5含量的增加,x/59/41的相结构均往伪立方相转变。Sb_2O_5在x/59/41中的固溶度随着La含量的增加而减小。Sb_2O_5的掺杂使得PZT介电峰展宽,但样品无明显弛豫特征;随着La含量的增加,Sb_2O_5的掺杂可使PLZT呈现出显著的弛豫特性。当La(28)2 mol%时,极化后样品的频率色散现象消失;当La=5 mol%,Sb_2O_5≥1.2 wt%时,极化样品的介电温谱中出现介电异常峰,但在介电异常峰温度以下无频率色散现象;而当La=6.5 mol%时,极化样品在介电异常峰以下仍然呈现出明显的频率色散现象。在电性能方面,总体而言,La含量的影响远大于Sb_2O_5掺杂量的影响,随着La含量的增加,ε_r、d_(33)和kp都快速增大,Q_m和P_r/P_(max)则快速减小。当La≤2 mol%时,ε_r、d_(33)、k_p、Q_m和P_r/P_(max)均随着Sb_2O_5掺杂量的增加而变化不大;而在La2 mol%样品中,当极化后样品弛豫程度明显增强时,ε_r和d_(33)随着Sb_2O_5掺杂量的增加而较快的增大。当出现烧绿石相时,样品的弛豫程度、介电和压电特性均明显减弱。
【学位单位】：华南理工大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TM221
【部分图文】：

华南理工大学博士学位论文，反过来也是成立的，两者一一对应。需注意的是，所有电介生应变[3]，只有当应变量与电场强度呈一次方关系时才对应为逆场强度呈平方关系时则称为电致伸缩效应。大部分介质材料的弛豫铁电体具有很大的电致伸缩系数，使得其在精密致动等应用[2]。

图 1- 2ABO3型钙钛矿结构示意图（a）ABO3晶胞 （b）氧八面体骨Fig. 1-2 Schematic of ABO3structure. (a) ABO3unit cell (b) Oxygen octaheframework豫铁电体弛豫特性豫铁电体与正常铁电体相比具有两个明显的特征，即弥散相变和频率色散示。在正常铁电体中，当温度从高温降至居里温度 TC时，发生顺电-铁电数快速升高，当温度低于 TC时，由于畴的形成，介电常数又急剧地降低。电体的介电常数 εr在 TC处会形成尖锐的峰值。与此不同的是，由于成分，弛豫铁电体在降温过程中并没有明确的相变温度，在远高于介电峰值urns 温度，TB），弛豫铁电体中就开始出现极性微区；随着温度的降低，极量不断增多、尺寸逐渐长大，随后形成纳米畴。极性微区数量的增多可增

即弥散相变和频率色散，如图1-3 所示。在正常铁电体中，当温度从高温降至居里温度 TC时，发生顺电-铁电相变，介电常数快速升高，当温度低于 TC时，由于畴的形成，介电常数又急剧地降低。因此，正常铁电体的介电常数 εr在 TC处会形成尖锐的峰值。与此不同的是，由于成分起伏等的影响，弛豫铁电体在降温过程中并没有明确的相变温度，在远高于介电峰值温度 Tm处（Burns 温度，TB），弛豫铁电体中就开始出现极性微区；随着温度的降低，极性纳米微区数量不断增多、尺寸逐渐长大，随后形成纳米畴。极性微区数量的增多可增强介电响应，但是随着温度降低，微区间的相互作用增强，使得其对外电场的响应减弱。在这两种不同机理的作用下，随着温度降低，介电常数呈现出一较宽的峰值，即发生弥散相变。从中可看到，Tm实际上并不代表相转变的发生
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本文编号：2877493