元素掺杂改性PMN-PT压电陶瓷和透明电光陶瓷的制备及性能研究
发布时间：2021-10-22 12:24
弛豫铁电体铌镁酸铅-钛酸铅[分子式为（1-x）Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-xPbTiO3,简写为PMN-xPT]具有优异的压电、电光、热释电等性能,已成为医用超声成像、工业无损探伤、水下声呐、电光调制、红外成像等领域高端器件的核心材料。1997年PMN-xPT单晶的发现被Science评价为“五十年来铁电领域最令人激动的发现”,2018-2020年Science、Nature、Nature Materials先后报道通过稀土元素掺杂大幅提高了PMN-xPT单晶/陶瓷的压电系数、机电耦合系数、透光率等性能,进一步提升了该材料的应用前景。PMN-xPT基材料的元素掺杂改性及其高性能产生机理成为新的研究热点。本论文采用铌铁矿法制备了元素掺杂改性的PMN-xPT的粉体并用两步烧结法制备PMN-xPT陶瓷。研究了元素掺杂种类、元素掺杂浓度、PMN-xPT固溶配比、陶瓷制备工艺等因素对PMN-xPT陶瓷结构和性能的影响。成功制备出高压电系数、高机械品质因素、高机电耦合系数的PMN-xPT压电陶瓷,并制备出...
【文章来源】：青岛大学山东省
【文章页数】：78 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
(a)ABO3钙钛矿晶胞简要模型；(b)不同晶胞类型的自发极化取向[30]
青岛大学硕士学位论文3突破[40]。到目前为止，PMN-PT的各项性能指标都取得比较好的结果：压电方面，李飞等人通过Sm掺杂设计的PMN-PT单晶压电系数高达3400~4100pC/N[41]；电光方面，美国BATI公司已做出商用的PMN-PT透明陶瓷器件，其透光率达到理论值71%，电光系数为28*10-16(m2/V2)[2]；热释电方面，罗豪甦等人研究的PMN-PT体系材料热释电系数达到1530μC/m2K[42]，已完全满足红外探测器的使用需求；其他效应包括磁电耦合效应，电卡效应，能量存储等方面也取得了比较好的成果[43-45]。图1.2PMN-xPT的相图，其中x为PT的摩尔含量[46]1.3PMN-PT铁电体的压电性能1.3.1压电性能简介在这里，PMN-PT所提及的机电性能包括压电系数，机电耦合系数，机械品质因数，介电损耗四个方面。压电系数是衡量机电转化能力的一个指标，压电系数越大，表示其机电转化能力越强，常用d来表示，包括d33，d31和d15等，在下文中未标明的地方都是指d33。压电系数d的定义式有两个[28]:=()E1-(1)=()T1-(2)
青岛大学硕士学位论文7图1.3硬性掺杂铁电材料的一些特点,(a)未极化样品电滞回线向x轴正向移动（归为第一类不对称电滞回线）;(b)极化后样品电滞回线移动方向和测试方向有关，且回线本身已经出现不对称（归为第二类不对称电滞回线）；(c)极化后双轴S-E曲线出现应变记忆效应；(d)样品老化后出现对称的双电滞回线1.3.4PMN-PT弛豫铁电体铁电体的压电理论决定压电性能大小包括本征压电响应和非本征压电响应，对于铁电体而言，本征压电响应包括晶格畸变和可逆畴壁运动，而非本征压电响应则指的是不可逆的畴壁运动[76]。晶格畸变被认为是压电材料普遍存在的，是晶格本身对于外电场的响应，这也是非铁电压电体压电效应的来源，而铁电体具有较大压电性的一个主要因素是铁电体压电来源还包括可逆和不可逆畴壁运动。一般认为，处于准同型相界的铁电体材料，能够比较容易实现各个铁电相的相互转换而获得高压电性能，然而这对于弛豫铁电体是不够的，下面将介绍几种弛豫铁电体高压电的理论机制。（1）电场诱导相变在早期对PMN-PT单晶的研究中，ShroutTR和ParkSE为了解释弛豫铁电体的大应变提出了场致相变理论[77]。二人在对三方相PMN-PT研究中发现，沿[001]方向极化的单晶具有超高压电，而[111]方向极化的单晶的压电系数很低，进而也提出
【参考文献】：
期刊论文
[1]巨压电弛豫铁电单晶及其在医用超声换能器中的应用[J]. 曹文武,孙恩伟,杨彬. 自然杂志. 2017(01)
[2]氧化物杂质对Al2O3陶瓷力学性能与抗蠕变性的影响[J]. 卞杰,陈涵,戴海璐,郭露村. 硅酸盐通报. 2015(01)
[3]弛豫铁电单晶的研究进展—压电效应的起源研究[J]. 李飞,张树君,李振荣,徐卓. 物理学进展. 2012(04)
[4]弛豫铁电单晶0.93Pb(Zn1/3Nb2/3)O3-0.07PbTiO3的电光性能研究[J]. 孙恩伟,张锐,赵欣,曹文武. 光子学报. 2009(06)
[5]新型热释电材料及其在高性能红外探测器中的应用[J]. 罗豪甦. 红外与激光工程. 2008(01)
[6]石英谐振式加速度计[J]. 杨贵玉,王鲜然,周建发,孟丽娜. 遥测遥控. 2007(S1)
[7]影响透明陶瓷透光性能的因素[J]. 李长青,张明福,左洪波,孟松鹤,韩杰才,姚泰. 兵器材料科学与工程. 2006(02)
[8]新型压电材料—弛豫铁电体单晶的研究[J]. 罗豪■,沈关顺,王评初,乐秀宏,殷之文. 无机材料学报. 1997(05)
博士论文
[1]弛豫基铁电单晶铌镁酸铅—钛酸铅相结构及畴结构研究[D]. 王瑞雪.哈尔滨工业大学 2016
[2]1-3系压电复合材料及水声换能器研究[D]. 李莉.北京邮电大学 2008
硕士论文
[1]高度透明PMN-PT基电光陶瓷的制备与性能研究[D]. 宋珍珍.青岛大学 2017
本文编号：3451092
【文章来源】：青岛大学山东省
【文章页数】：78 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
(a)ABO3钙钛矿晶胞简要模型；(b)不同晶胞类型的自发极化取向[30]
青岛大学硕士学位论文3突破[40]。到目前为止，PMN-PT的各项性能指标都取得比较好的结果：压电方面，李飞等人通过Sm掺杂设计的PMN-PT单晶压电系数高达3400~4100pC/N[41]；电光方面，美国BATI公司已做出商用的PMN-PT透明陶瓷器件，其透光率达到理论值71%，电光系数为28*10-16(m2/V2)[2]；热释电方面，罗豪甦等人研究的PMN-PT体系材料热释电系数达到1530μC/m2K[42]，已完全满足红外探测器的使用需求；其他效应包括磁电耦合效应，电卡效应，能量存储等方面也取得了比较好的成果[43-45]。图1.2PMN-xPT的相图，其中x为PT的摩尔含量[46]1.3PMN-PT铁电体的压电性能1.3.1压电性能简介在这里，PMN-PT所提及的机电性能包括压电系数，机电耦合系数，机械品质因数，介电损耗四个方面。压电系数是衡量机电转化能力的一个指标，压电系数越大，表示其机电转化能力越强，常用d来表示，包括d33，d31和d15等，在下文中未标明的地方都是指d33。压电系数d的定义式有两个[28]:=()E1-(1)=()T1-(2)
青岛大学硕士学位论文7图1.3硬性掺杂铁电材料的一些特点,(a)未极化样品电滞回线向x轴正向移动（归为第一类不对称电滞回线）;(b)极化后样品电滞回线移动方向和测试方向有关，且回线本身已经出现不对称（归为第二类不对称电滞回线）；(c)极化后双轴S-E曲线出现应变记忆效应；(d)样品老化后出现对称的双电滞回线1.3.4PMN-PT弛豫铁电体铁电体的压电理论决定压电性能大小包括本征压电响应和非本征压电响应，对于铁电体而言，本征压电响应包括晶格畸变和可逆畴壁运动，而非本征压电响应则指的是不可逆的畴壁运动[76]。晶格畸变被认为是压电材料普遍存在的，是晶格本身对于外电场的响应，这也是非铁电压电体压电效应的来源，而铁电体具有较大压电性的一个主要因素是铁电体压电来源还包括可逆和不可逆畴壁运动。一般认为，处于准同型相界的铁电体材料，能够比较容易实现各个铁电相的相互转换而获得高压电性能，然而这对于弛豫铁电体是不够的，下面将介绍几种弛豫铁电体高压电的理论机制。（1）电场诱导相变在早期对PMN-PT单晶的研究中，ShroutTR和ParkSE为了解释弛豫铁电体的大应变提出了场致相变理论[77]。二人在对三方相PMN-PT研究中发现，沿[001]方向极化的单晶具有超高压电，而[111]方向极化的单晶的压电系数很低，进而也提出
【参考文献】：
期刊论文
[1]巨压电弛豫铁电单晶及其在医用超声换能器中的应用[J]. 曹文武,孙恩伟,杨彬. 自然杂志. 2017(01)
[2]氧化物杂质对Al2O3陶瓷力学性能与抗蠕变性的影响[J]. 卞杰,陈涵,戴海璐,郭露村. 硅酸盐通报. 2015(01)
[3]弛豫铁电单晶的研究进展—压电效应的起源研究[J]. 李飞,张树君,李振荣,徐卓. 物理学进展. 2012(04)
[4]弛豫铁电单晶0.93Pb(Zn1/3Nb2/3)O3-0.07PbTiO3的电光性能研究[J]. 孙恩伟,张锐,赵欣,曹文武. 光子学报. 2009(06)
[5]新型热释电材料及其在高性能红外探测器中的应用[J]. 罗豪甦. 红外与激光工程. 2008(01)
[6]石英谐振式加速度计[J]. 杨贵玉,王鲜然,周建发,孟丽娜. 遥测遥控. 2007(S1)
[7]影响透明陶瓷透光性能的因素[J]. 李长青,张明福,左洪波,孟松鹤,韩杰才,姚泰. 兵器材料科学与工程. 2006(02)
[8]新型压电材料—弛豫铁电体单晶的研究[J]. 罗豪■,沈关顺,王评初,乐秀宏,殷之文. 无机材料学报. 1997(05)
博士论文
[1]弛豫基铁电单晶铌镁酸铅—钛酸铅相结构及畴结构研究[D]. 王瑞雪.哈尔滨工业大学 2016
[2]1-3系压电复合材料及水声换能器研究[D]. 李莉.北京邮电大学 2008
硕士论文
[1]高度透明PMN-PT基电光陶瓷的制备与性能研究[D]. 宋珍珍.青岛大学 2017
本文编号：3451092
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