稀土掺杂的钛酸铋钠基无铅压电陶瓷的结构、铁电、压电及荧光性能研究

发布时间：2017-07-26 17:34

  本文关键词：稀土掺杂的钛酸铋钠基无铅压电陶瓷的结构、铁电、压电及荧光性能研究

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【摘要】：压电陶瓷材料是一类非常重要的功能材料,在制动器、换能器、滤波器等方面都有广泛应用。但是,目前使用最多的是铅基压电陶瓷,众所周知,铅基压电陶瓷材料中含有强毒性的氧化铅,在其制备生产、使用及废弃处理过程中,都会对生态环境及人类健康产生严重的危害。因此,近年来,越来越多的科研工作者们致力于发展和研究高性能的无铅压电材料,以替代传统铅基陶瓷。钛酸铋钠(Bi_(0.5)Na_(0.5)TiO_3)陶瓷因具有良好的铁电性和高的居里温度被誉为最有希望替代铅基陶瓷的材料体系,但同时高的矫顽场使得其极化变得困难,因而压电性能较差。另一方面,随着科技发展的日新月异,器件朝着微型化和多功能化发展。近年来,稀土掺杂的铁电-荧光多功能材料受到广泛关注。本文将稀土离子引入Bi_(0.5)Na_(0.5)TiO_3基材料中形成了0.94(Bi_(1-x)Dy_x)_(0.5)Na_(0.5)TiO_3-0.06Ba TiO_3、0.94(Bi_(1-x)Sm_xNa)_(0.5)TiO_3-0.06Ba TiO_3、(Bi_(1-x)Tm_x)_(0.5)(Na_(0.85)K_(0.15))_(0.5)TiO_3陶瓷体系,重点研究了稀土掺杂对BNT基钙钛矿材料铁电、压电和荧光性能的影响。主要研究内容及结果如下:(1)采用传统固相法成功制备了0.94(Bi_(1-x)Dy_x)_(0.5)Na_(0.5)TiO_3-0.06Ba TiO_3(x=0,0.005,0.010,0.015,0.020,0.025和0.030)陶瓷样品,系统研究了组分对陶瓷铁电、压电和荧光性能的影响。所有陶瓷样品均为纯的钙钛矿结构,且形成了三方相和四方相的准同型相界(MPB)。部分Dy~(3+)取代Bi~(3+)显著增强了材料的压电性能。在x=0.025时,材料获得最优的压电性能:d33=190 p C/N,kP=37.2%。添加Dy~(3+)之后诱导出了材料的荧光性能,在478 nm附近发蓝光,575 nm附近发黄光,分别对应Dy~(3+)的~4F_(9/2)→6H15/2和~4F_(9/2)→6H13/2的Dy~(3+)跃迁。在x=0.025时,陶瓷的荧光性能最优。研究结果显示出,当Dy~(3+)掺杂量为2.5 mol%时,能获得了最佳的压电性能,强的铁电性能和优异的荧光性能。(2)采用传统固相法制备了0.94(Bi_(1-x)Sm_xNa)_(0.5)TiO_3-0.06Ba TiO_3(x=0-0.05)无铅压电陶瓷,系统研究了材料的结构、压电、铁电和荧光性能。所有的的陶瓷具有良好的致密性。陶瓷样品均为纯的钙钛矿结构,且为三方相和四方相共存。在少量掺杂Sm~(3+)(x≤0.035)后,陶瓷压电性能得到强化,d33由147 p C/N增加至172p C/N,然而,过量的Sm~(3+)(x=0.035-0.05)则会劣化其压电性能,d33由172 p C/N逐步减少至18 p C/N。在406 nm激发波长下,陶瓷显示出三个明显的发射峰,分别位于563 nm(~4G_(5/2)→~6H_(5/2)),597 nm(~4G_(5/2)→6H7/2)和645 nm(~4G_(5/2)→~6H_(9/2))。在564 nm发射波长下,能得到Sm~(3+)的5个激发峰位于407,420,464,440和479 nm处,分别对应Sm~(3+)的~6H_(5/2)→~4F_(7/2),~6H_(5/2)→(6P,4P)5/2,~6H_(5/2)→4G9/2,~6H_(5/2)→~4I_(11/2),13/2和~6H_(5/2)→~4M_(15/2)能级跃迁。其中,~4G_(5/2)→~6H_(5/2)和~6H_(5/2)→~4F_(7/2)对应的发射峰强度随着x的增大呈现先增大后减小的趋势。在x=0.035时,材料显示出最优的荧光性能。材料的平均衰减时间τav随着x的增大由1.0869 ms减少至0.7850 ms。(3)采用传统固相法制备了(Bi_(1-x)Tm_x)_(0.5)(Na_(0.85)K_(0.15))_(0.5)TiO_3无铅压电陶瓷,研究了Tm~(3+)掺杂量对其结构、铁电性、压电性和上转换发光性能的影响。所有陶瓷均为纯的钙钛矿结构,且Tm~(3+)固溶进了Bi_(0.5)(Na_(0.85)K_(0.15))_(0.5)TiO_3的晶格中形成了均一均匀的固溶体,陶瓷存在三方-四方的准同型相界。Tm~(3+)的掺杂使得陶瓷的粒径发生明显的变化,呈现先增大后减小的趋势。当x逐渐增加至0.08时,陶瓷的矫顽场Ec从4.10 k V/mm逐渐减小至0.98 k V/mm,铁电性能得到强化。在掺杂少量的Tm~(3+)后,陶瓷的压电性能得到显著提高,在x=0.02时,压电系数d33达到153p C/N。但是,过量的Tm~(3+)会弱化其压电性能。陶瓷显示出明显的上转换发光性能,在980 nm的激发波长下,陶瓷能获得三个非常明显的特征峰,分别位于486nm、550 nm和649 nm处,且分别对应了Tm~(3+)三个能级跃迁:~1G_4→~3H_6、~1G_4→~3F_4和~3 F _(23)→~3H_6。
【关键词】：钛酸铋钠 钙钛矿 铁电性能 压电性能 荧光性能
【学位授予单位】：四川师范大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TQ174.1
【目录】：

• 摘要4-6
• Abstract6-10
• 1 绪论10-30
• 1.1 引言10
• 1.2 压电和铁电材料10-14
• 1.3 无铅压电陶瓷14-23
• 1.4 钛酸铋钠基无铅压电陶瓷的研究现状23-27
• 1.5 稀土发光材料简述27-28
• 1.6 本文的立项依据和主要研究内容28-30
• 2 陶瓷的制备工艺及其性能测试方法30-37
• 2.1 引言30
• 2.2 制备工艺30-37
• 3 0.94(Bi_(1-x)Dy_x)_(0.5)Na_(0.5)TiO_3 0.06BaTiO_3陶瓷的结构、压电、铁电及荧光性能37-48
• 3.1 引言37-38
• 3.2 0.94(Bi_(1-x)Dy_x)_(0.5)Na_(0.5)TiO_3 0.06BaTiO_3陶瓷的晶相结构和微观结构38-40
• 3.3 0.94(Bi_(1-x)Dy_x)_(0.5)Na_(0.5)TiO_3 0.06BaTiO_3陶瓷的介电、铁电和压电性能40-43
• 3.4 0.94(Bi_(1-x)Dy_x)_(0.5)Na_(0.5)TiO_3 0.06BaTiO_3陶瓷的荧光性能43-46
• 3.5 本章小结46-48
• 4 0.94(Bi1-xSmx)_(0.5)Na_(0.5)TiO_3 0.06BaTiO_3陶瓷的结构、压电、铁电及荧光性能48-59
• 4.1 引言48
• 4.2 0.94(Bi1-xSmx)_(0.5)Na_(0.5)TiO_3 0.06BaTiO_3陶瓷的晶相结构和微观结构48-50
• 4.3 0.94(Bi1-xSmx)_(0.5)Na_(0.5)TiO_3 0.06BaTiO_3陶瓷的介电、铁电和压电性能50-53
• 4.4 0.94(Bi1-xSmx)_(0.5)Na_(0.5)TiO_3 0.06BaTiO_3陶瓷的荧光性能53-57
• 4.5 本章小结57-59
• 5 (Bi_(1-x)Tm_x)_(0.5)(Na_(0.85)K_(0.15))0.5TiO_3陶瓷的结构、压电、铁电及荧光性能研究59-70
• 5.1 引言59
• 5.2 (Bi_(1-x)Tm_x)_(0.5)(Na_(0.85)K_(0.15))0.5TiO_3陶瓷的晶相结构和微观结构59-64
• 5.3 (Bi_(1-x)Tm_x)_(0.5)(Na_(0.85)K_(0.15))0.5TiO_3陶瓷的介电、铁电和压电性能64-67
• 5.4 (Bi_(1-x)Tm_x)_(0.5)(Na_(0.85)K_(0.15))0.5TiO_3陶瓷的上转换发光性能67-68
• 5.5 本章小结68-70
• 6 总结与展望70-72
• 参考文献72-82
• 致谢82-83
• 硕士期间研究成果83-84

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