Sm掺杂PMN-PT陶瓷的铁电和压电性能研究
发布时间：2021-03-24 09:12
弛豫铁电体由于具有超高的介电、压电等特性,广泛应用于换能器、致动器等领域。然而,目前对于弛豫铁电体退极化行为的微观机制、交流驱动场对陶瓷电学性能的影响仍不清楚。本论文通过改进的Swartz和Shrout固相两步合成法制备了一系列Pb0.9625Sm0.025[(Mg1/3Nb2/3)1-xTix]O3陶瓷（0.025Sm-PMN-x PT,其中x=0.28、0.29、0.30和0.31）,具有优异的介电和压电性能(d33>970 p C/N,εr>12000)。当x=0.28时,d33=1310p C/N,εr=18400,tanδ=0.056和kp=0.65。为了探究其退极化行为的微观机制,本论文研究了0.025Sm-PMN-x PT陶瓷的相结构、介电、压电和铁电性能随温度的变化。结果发现,（35）f/f
【文章来源】：华南理工大学广东省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：67 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
正、逆压电效应示意图
华南理工大学硕士学位论文8图1-2所示。A线为冷却过程施加偏压获得，划分无序伪立方相（区域①）和诱导极性相（区域②、③），在A线以下施加电场，或改变温度仅仅引起伪立方相可逆的轻微变形；B线为给定电场的下限温度，当高于此温度时，经零场冷却后得到的冻结无序相可被极化，冷却过程施加偏压后得到的诱导极性相的极性可以反转，同时B线也可以看作是反转感应极化所需的矫顽场，其最小为Eth；当PMN处于A线和B线之间的区域②时，则处于极化状态。Tdo为零场下的退极化温度，作为极性相和伪立方相的界限。电场-温度相图的绘制，有助于后人进一步理解其极化和退极化特性[43-46]。图1-2电场-温度相图示意性地界定了（1）无序伪立方相、（2）诱导可逆3m相和（3）冻结无序相或（3"）诱导的冻结3m相的存在，Eth表示电场阈值的最小值[43]Fig.1-2Electricfield-temperaturephasediagramdelimitingschematicallytheexistenceof(1)thedisorderedpseudo-cubicphase,(2)theinducedreversible3mphaseand(3)thefrozendisorderedphaseor(3")theinducedfrozen3mphase.Ethindicatestheminimumofthethresholdfield.2006年，Feng等人在研究相界附近PMN-PT单晶极化后的介电性能和热激励退极化电流（thermallystimulateddepolarizationcurrents，TSDC）与温度的关系时发现，极化后的0.76PMN-0.24PT单晶在Td和Tm之间存在放电电流峰值温度Tdm，由此提出退极化行为包括两个阶段。在升温过程中宏畴态衰减到微畴态，仍存在取向力，处于偶极子部分定向的微畴态，这使得Td和Tdm之间仍存在宏观极化强度。在Tdm之上，微畴态转变为偶极子全部随机取向的随机态，失去宏观极化[24]。与之类似，2013年，WookJo等人在研究BNT-BT的弛豫铁电体电感应长程有序铁电相的温度稳定性时发现，极
第一章绪论11电场下所表现的非线性特性，使其在实际使用中受到局限。研究施加交流驱动场对Sm-PMN-PT系列陶瓷的影响，对于理解各种交流驱动场中的界面（畴壁和/或相位边界）运动和极化旋转的机理至关重要，也利于深入了解弛豫铁电体介电弛豫特性的机制和非线性特性的起源，以更好地应用于实际。1.3Sm-PMN-PT弛豫铁电体1.3.1Sm-PMN-PT的结构1.3.1.1基本结构铁电体主要可分为ABO3型钙钛矿结构铁电体、钨青铜型结构铁电体、铋层结构铁电体和烧绿石型铁电体等。其中最典型的是钙钛矿结构，ABO3型钙钛矿结构铁电体具有铁电性的重要原因是A、B位离子的可动性。PMN的晶胞构型是典型的钙钛矿结构，图1-3为ABO3型钙钛矿晶胞结构示意图，其中A位离子由Pb2+离子占据着，位于立方体的8个顶点，B位离子由Mg2+和Nb5+无序地占据着，位于立方体的体心，O2-离子位于立方体6个面心。PT是一种典型的、具有ABO3型钙钛矿结构正常铁电体，B位离子由Ti4+占据着。弛豫铁电体Sm-PMN-PT的结构为ABO3钙钛矿结构，Sm3+离子进入晶格，占据Pb2+离子的A位。此时B位离子为Mg2+、Nb5+、Ti4+，宏观上表现为无序分布。由于各离子的离子半径不同、电子云之间存在相互排斥等原因使得离子间不会以密堆的方式排列。在电场作用下，B位离子的无序分布使较大的B位离子支撑着晶胞骨架，较小的B位离子有较大的“活动”空间，很容易位移而不会使其氧八面体发生大的畸变。图1-3ABO3型钙钛矿结构示意图Fig.1-3SchematicdiagramofABO3typeperovskitestructure.
【参考文献】：
期刊论文
[1]两步合成法制备高纯铌镁酸铅-钛酸铅复合粉体及其性能表征[J]. 喻秋山,苏玉长,热比古丽·图尔荪,谭江,张晶. 粉末冶金材料科学与工程. 2018(04)
[2]压电陶瓷驱动器的迟滞特性[J]. 范伟,林瑜阳,李钟慎. 光学精密工程. 2016(05)
[3]计量型原子力显微镜的位移测量系统(英文)[J]. 李伟,高思田,卢明臻,施玉书,杜华. 光学精密工程. 2012(04)
[4]铁电单晶Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-PbTiO3的高场致应变及其在层叠式驱动器中的应用[J]. 冯祖勇,罗豪甦,殷之文,官春林,凌宁. 物理学报. 2004(10)
[5]压电陶瓷机械品质因数Qm及其温度稳定性[J]. 马海峰,周桃生. 湖北大学学报(自然科学版). 2003(01)
[6]PLMN、PLN、PMN体系压电陶瓷性能与结构的对比研究[J]. 刘静,丁凌峰,周静,崔万秋. 功能材料. 2000(02)
本文编号：3097465
【文章来源】：华南理工大学广东省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：67 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
正、逆压电效应示意图
华南理工大学硕士学位论文8图1-2所示。A线为冷却过程施加偏压获得，划分无序伪立方相（区域①）和诱导极性相（区域②、③），在A线以下施加电场，或改变温度仅仅引起伪立方相可逆的轻微变形；B线为给定电场的下限温度，当高于此温度时，经零场冷却后得到的冻结无序相可被极化，冷却过程施加偏压后得到的诱导极性相的极性可以反转，同时B线也可以看作是反转感应极化所需的矫顽场，其最小为Eth；当PMN处于A线和B线之间的区域②时，则处于极化状态。Tdo为零场下的退极化温度，作为极性相和伪立方相的界限。电场-温度相图的绘制，有助于后人进一步理解其极化和退极化特性[43-46]。图1-2电场-温度相图示意性地界定了（1）无序伪立方相、（2）诱导可逆3m相和（3）冻结无序相或（3"）诱导的冻结3m相的存在，Eth表示电场阈值的最小值[43]Fig.1-2Electricfield-temperaturephasediagramdelimitingschematicallytheexistenceof(1)thedisorderedpseudo-cubicphase,(2)theinducedreversible3mphaseand(3)thefrozendisorderedphaseor(3")theinducedfrozen3mphase.Ethindicatestheminimumofthethresholdfield.2006年，Feng等人在研究相界附近PMN-PT单晶极化后的介电性能和热激励退极化电流（thermallystimulateddepolarizationcurrents，TSDC）与温度的关系时发现，极化后的0.76PMN-0.24PT单晶在Td和Tm之间存在放电电流峰值温度Tdm，由此提出退极化行为包括两个阶段。在升温过程中宏畴态衰减到微畴态，仍存在取向力，处于偶极子部分定向的微畴态，这使得Td和Tdm之间仍存在宏观极化强度。在Tdm之上，微畴态转变为偶极子全部随机取向的随机态，失去宏观极化[24]。与之类似，2013年，WookJo等人在研究BNT-BT的弛豫铁电体电感应长程有序铁电相的温度稳定性时发现，极
第一章绪论11电场下所表现的非线性特性，使其在实际使用中受到局限。研究施加交流驱动场对Sm-PMN-PT系列陶瓷的影响，对于理解各种交流驱动场中的界面（畴壁和/或相位边界）运动和极化旋转的机理至关重要，也利于深入了解弛豫铁电体介电弛豫特性的机制和非线性特性的起源，以更好地应用于实际。1.3Sm-PMN-PT弛豫铁电体1.3.1Sm-PMN-PT的结构1.3.1.1基本结构铁电体主要可分为ABO3型钙钛矿结构铁电体、钨青铜型结构铁电体、铋层结构铁电体和烧绿石型铁电体等。其中最典型的是钙钛矿结构，ABO3型钙钛矿结构铁电体具有铁电性的重要原因是A、B位离子的可动性。PMN的晶胞构型是典型的钙钛矿结构，图1-3为ABO3型钙钛矿晶胞结构示意图，其中A位离子由Pb2+离子占据着，位于立方体的8个顶点，B位离子由Mg2+和Nb5+无序地占据着，位于立方体的体心，O2-离子位于立方体6个面心。PT是一种典型的、具有ABO3型钙钛矿结构正常铁电体，B位离子由Ti4+占据着。弛豫铁电体Sm-PMN-PT的结构为ABO3钙钛矿结构，Sm3+离子进入晶格，占据Pb2+离子的A位。此时B位离子为Mg2+、Nb5+、Ti4+，宏观上表现为无序分布。由于各离子的离子半径不同、电子云之间存在相互排斥等原因使得离子间不会以密堆的方式排列。在电场作用下，B位离子的无序分布使较大的B位离子支撑着晶胞骨架，较小的B位离子有较大的“活动”空间，很容易位移而不会使其氧八面体发生大的畸变。图1-3ABO3型钙钛矿结构示意图Fig.1-3SchematicdiagramofABO3typeperovskitestructure.
【参考文献】：
期刊论文
[1]两步合成法制备高纯铌镁酸铅-钛酸铅复合粉体及其性能表征[J]. 喻秋山,苏玉长,热比古丽·图尔荪,谭江,张晶. 粉末冶金材料科学与工程. 2018(04)
[2]压电陶瓷驱动器的迟滞特性[J]. 范伟,林瑜阳,李钟慎. 光学精密工程. 2016(05)
[3]计量型原子力显微镜的位移测量系统(英文)[J]. 李伟,高思田,卢明臻,施玉书,杜华. 光学精密工程. 2012(04)
[4]铁电单晶Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-PbTiO3的高场致应变及其在层叠式驱动器中的应用[J]. 冯祖勇,罗豪甦,殷之文,官春林,凌宁. 物理学报. 2004(10)
[5]压电陶瓷机械品质因数Qm及其温度稳定性[J]. 马海峰,周桃生. 湖北大学学报(自然科学版). 2003(01)
[6]PLMN、PLN、PMN体系压电陶瓷性能与结构的对比研究[J]. 刘静,丁凌峰,周静,崔万秋. 功能材料. 2000(02)
本文编号：3097465
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