KNN掺杂BCZT基无铅陶瓷的烧结特性和铁电性能研究
发布时间：2022-01-09 21:49
压电陶瓷因其优异的铁电和压电性,被广泛应用在传感器、换能器、变压器和医学成像等领域,然而传统的Pb（Zr,Ti）O3（简称PZT）陶瓷含有大量的铅,污染环境且对人类健康有害,因此研究无铅压电陶瓷变得十分重要。本论文以Ba Ti O3（简称BT）材料为基体,对其进行第一性原理的计算和掺杂改性的研究。首先,对A、B位掺杂Ba Ti O3晶胞进行第一性原理计算,结果表明,Ca原子的掺入使BT晶胞的Ba-O键长增加,Ti-O键长缩短,Zr原子的掺入对晶胞相应键长的影响相反。Ca和Zr原子使Ba-O键长增加,Ti-O键长缩短。由于计算中交叉相的处理,得到纯四方相钛酸钡的禁带宽度比实验值小,约为1.781e V,随着Ca和Zr原子的掺杂使禁带宽度增加且总的态密度升高,导电性降低。从介电函数的虚部和损耗函数来看,Ca和Zr原子的掺入降低了晶体的介电损耗。其次,本论文以(Ba0.85Ca0.15)(Zr0.1Ti0.9)O3（简...
【文章来源】：哈尔滨理工大学黑龙江省
【文章页数】：75 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
压电效应示意图：a)正压电效应；b)逆压电效应Fig.1-1Schematicdiagramofpiezoelectriceffect：a)Positivepiezoelectriceffect;b)Inversepiezoelectriceffect
哈尔滨理工大学工学硕士学位论文3图1-2铁电材料的电滞回线及极化方向：EC为矫顽场；Pr为剩余极化强度；Ps为自发极化强度Fig.1-2Thehysteresisloopofferroelectricmaterialsanditscorrespondingpolarizationdirection:ECiscoercivefield;Prisremanentpolarization;Psisspontaneouspolarization铁电体在某一温度会发生从非铁电相到铁电相的转变，或者从铁电相到非铁电相的转变，这一转变伴随着结构的变化，把这个结构相变的温度称为居里温度(TC)。这是铁电体非常重要的临界特性，当温度高于TC时，晶体发生结构相转变，自发极化消失，呈现非铁电相（顺电相），没有铁电性；当温度由高温降至低温经过TC时，铁电体发生顺电相-铁电相转变；当温度低于TC时，自发极化出现，铁电体表现出铁电性。一般来说，晶体的铁电结构可以看作是顺电结构经过微小畸变而得到[9]。从电滞回线可以看出铁电体的极化是非线性，也就是说P和E不成正比关系，从中可以得知铁电体的介电常数并不是一个固定值，而是依赖于外加电常且介电常数在居里温度附近出现很大的数值，这是铁电体在临近温度附近的“介电反常”。1.2.2压电材料与铁电材料的关系铁电体在居里点以下必然是极性晶体，不具有对称中心，因而具有压电性。在居里温度以上，一些晶体已经发生了结构相转变，呈现顺电相，但是其顺电相无对称中心，仍然可以表现出压电性能，比如磷酸二氢钾(KDP)等。顺电相具有对称中心，所以在居里温度以上，不具有铁电性，也不具有压电性[10]。
哈尔滨理工大学工学硕士学位论文4从32种点群的对称类型来看，只有不具有对称中心的20种点群才可能具有压电性。压电晶体中，具有唯一单向极轴的晶体，才有可能是热释电晶体（包括10种点群，称为极性点群），或者说具有自发极化的晶体才是热释电晶体。如果热释电晶体的极化强度P与极化电场E之间表现为电滞回线，这种晶体依旧是铁电晶体。如果晶体具有铁电性，那么必然具有压电性和热释电性，比如BaTiO3、硫酸三甘肽(TGS)等。反之，晶体具有热释电性则必拥有压电性，但是不一定具有铁电性，比如LiSO4。常见的压电晶体如水晶、锗酸铋等，没有铁电性和热释电性。上述关系具体如图1-3所示。综上所述，当谈到某种晶体是压电晶体还是铁电晶体，不能脱离具体的温度条件，铁电体在居里温度以下必然是压电体。铁电体在非铁电相，如果不具有对称中心则具有压电性，如果具有对称中心，那么该铁电体在非铁电相不具有压电性[8]。图1-3压电体、热释电体及铁电体之间的关系Fig.1-3Therelationshipbetweenpiezoelectric,pyroelectricandferroelectricbodies1.3压电陶瓷的内部结构1.3.1晶格结构压电陶瓷是由小晶粒无规则镶嵌而成，所以严格来说压电陶瓷是多晶体。有序排列的原子或离子排列成晶格构成小晶粒，可当做是一粒小单晶，每个小晶粒内部还具有铁电畴。整体来看，晶粒与晶粒之间的晶格方向不一定相同，排列是无规则的，即每个单晶的取向是随机的，晶粒间的自发极化矢量之和为零，所以未经极化的压电陶瓷宏观上不显示压电性，压电材料的压电性必须经过极化才能在宏观上显示出来[12]。目前应用最广泛的压电陶瓷（如PZT、BT基压电陶瓷和KNN基陶瓷等）均为ABO3型钙钛矿结构，其化学式为ABO3。A位离子呈+1、+2、+3价，离
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于第一性原理的钙钛矿材料空位缺陷研究[J]. 袁海东,周龙,苏杰,林珍华,常晶晶,郝跃. 中国光学. 2019(05)
[2]La2O3掺杂的BCZT陶瓷介电性能的研究[J]. 徐旭,徐祥红. 陶瓷. 2019(10)
[3]烧结温度对锆钛酸钡钙陶瓷微结构及储能特性的影响[J]. 张钱伟,蔡苇,何海峰,王凤起,李清婷. 电子元件与材料. 2019(02)
[4]BCZT陶瓷的Nd3+掺杂机制与介电性能研究[J]. 丁士华,彭勇,宋天秀,那文菊. 西华大学学报(自然科学版). 2018(04)
[5]Bi12TiO20添加对BCZT陶瓷介电性能的影响[J]. 蒲永平,惠驰原,万晶,崔晨薇,郭一松. 陕西科技大学学报. 2018(01)
[6]Co2O3掺杂对BCZT基无铅压电陶瓷组织与电性能的影响[J]. 蔡恩培,刘其斌,姚利兰,周顺龙,薛安,曾芳芳. 中国陶瓷. 2017(10)
[7]BCZT无铅压电陶瓷的水热法制备及其性能[J]. 卢晓羽,方必军,姜彦,丁建宁,赵祥永,罗豪甦. 硅酸盐学报. 2017(09)
[8]锆钛酸钡钙（BCZT）基无铅压电陶瓷的研究现状[J]. 杨琳,邓红,陈云婧. 陶瓷学报. 2016(03)
[9]无铅压电陶瓷的研究进展[J]. 蒲永平,姚谋腾,高子岩,靳乾,郑晗煜,王亚茹. 人工晶体学报. 2015(08)
[10]Bi掺杂BaTiO3陶瓷缺陷性质的第一性原理研究[J]. 张文芹,黄雪琛. 材料导报. 2014(18)
博士论文
[1]铌酸钾钠基无铅压电陶瓷的压电性能与电畴结构的研究[D]. 秦亚琳.山东大学 2015
硕士论文
[1]K0.5Na0.5NbO3无铅压电材料的制备及其复合膜纳米发电机研究[D]. 夏梦杰.太原理工大学 2019
[2]复合掺杂对BCZT无铅压电陶瓷组织和电性能的影响[D]. 蔡恩培.贵州大学 2018
[3](Ba0.85Ca0.15)(Zr0.1Ti0.9)O3陶瓷材料的制备技术、反应机理及电性能研究[D]. 陈晓芳.陕西师范大学 2018
[4]压电陶瓷制备工艺的无铅/少铅化研究[D]. 许俊伸.福州大学 2017
[5]助烧剂对(Ba0.85Ca0.15)(Zr0.1Ti0.9)O3陶瓷材料烧结温度和电学性能的影响[D]. 谢雪珂.陕西师范大学 2016
[6]Li/Ta掺杂KNN无铅陶瓷的压电与温度稳定性能研究[D]. 王娟.哈尔滨理工大学 2016
[7]钙钛矿型碱金属铌酸盐无铅铁电材料研究[D]. 徐芳.湖北大学 2015
[8]BaxCa1-xTiyZr1-yO3基介电陶瓷材料的合成与改性研究[D]. 王玥平.中国地质大学（北京） 2014
[9]多铁性BiFeO3陶瓷中的应力与铁电铁磁畴相互作用机制研究[D]. 刘迎春.哈尔滨工业大学 2013
[10]低温烧结高性能锆钛酸钡钙基无铅压电陶瓷[D]. 孙涛.天津大学 2012
本文编号：3579501
【文章来源】：哈尔滨理工大学黑龙江省
【文章页数】：75 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
压电效应示意图：a)正压电效应；b)逆压电效应Fig.1-1Schematicdiagramofpiezoelectriceffect：a)Positivepiezoelectriceffect;b)Inversepiezoelectriceffect
哈尔滨理工大学工学硕士学位论文3图1-2铁电材料的电滞回线及极化方向：EC为矫顽场；Pr为剩余极化强度；Ps为自发极化强度Fig.1-2Thehysteresisloopofferroelectricmaterialsanditscorrespondingpolarizationdirection:ECiscoercivefield;Prisremanentpolarization;Psisspontaneouspolarization铁电体在某一温度会发生从非铁电相到铁电相的转变，或者从铁电相到非铁电相的转变，这一转变伴随着结构的变化，把这个结构相变的温度称为居里温度(TC)。这是铁电体非常重要的临界特性，当温度高于TC时，晶体发生结构相转变，自发极化消失，呈现非铁电相（顺电相），没有铁电性；当温度由高温降至低温经过TC时，铁电体发生顺电相-铁电相转变；当温度低于TC时，自发极化出现，铁电体表现出铁电性。一般来说，晶体的铁电结构可以看作是顺电结构经过微小畸变而得到[9]。从电滞回线可以看出铁电体的极化是非线性，也就是说P和E不成正比关系，从中可以得知铁电体的介电常数并不是一个固定值，而是依赖于外加电常且介电常数在居里温度附近出现很大的数值，这是铁电体在临近温度附近的“介电反常”。1.2.2压电材料与铁电材料的关系铁电体在居里点以下必然是极性晶体，不具有对称中心，因而具有压电性。在居里温度以上，一些晶体已经发生了结构相转变，呈现顺电相，但是其顺电相无对称中心，仍然可以表现出压电性能，比如磷酸二氢钾(KDP)等。顺电相具有对称中心，所以在居里温度以上，不具有铁电性，也不具有压电性[10]。
哈尔滨理工大学工学硕士学位论文4从32种点群的对称类型来看，只有不具有对称中心的20种点群才可能具有压电性。压电晶体中，具有唯一单向极轴的晶体，才有可能是热释电晶体（包括10种点群，称为极性点群），或者说具有自发极化的晶体才是热释电晶体。如果热释电晶体的极化强度P与极化电场E之间表现为电滞回线，这种晶体依旧是铁电晶体。如果晶体具有铁电性，那么必然具有压电性和热释电性，比如BaTiO3、硫酸三甘肽(TGS)等。反之，晶体具有热释电性则必拥有压电性，但是不一定具有铁电性，比如LiSO4。常见的压电晶体如水晶、锗酸铋等，没有铁电性和热释电性。上述关系具体如图1-3所示。综上所述，当谈到某种晶体是压电晶体还是铁电晶体，不能脱离具体的温度条件，铁电体在居里温度以下必然是压电体。铁电体在非铁电相，如果不具有对称中心则具有压电性，如果具有对称中心，那么该铁电体在非铁电相不具有压电性[8]。图1-3压电体、热释电体及铁电体之间的关系Fig.1-3Therelationshipbetweenpiezoelectric,pyroelectricandferroelectricbodies1.3压电陶瓷的内部结构1.3.1晶格结构压电陶瓷是由小晶粒无规则镶嵌而成，所以严格来说压电陶瓷是多晶体。有序排列的原子或离子排列成晶格构成小晶粒，可当做是一粒小单晶，每个小晶粒内部还具有铁电畴。整体来看，晶粒与晶粒之间的晶格方向不一定相同，排列是无规则的，即每个单晶的取向是随机的，晶粒间的自发极化矢量之和为零，所以未经极化的压电陶瓷宏观上不显示压电性，压电材料的压电性必须经过极化才能在宏观上显示出来[12]。目前应用最广泛的压电陶瓷（如PZT、BT基压电陶瓷和KNN基陶瓷等）均为ABO3型钙钛矿结构，其化学式为ABO3。A位离子呈+1、+2、+3价，离
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于第一性原理的钙钛矿材料空位缺陷研究[J]. 袁海东,周龙,苏杰,林珍华,常晶晶,郝跃. 中国光学. 2019(05)
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[7]BCZT无铅压电陶瓷的水热法制备及其性能[J]. 卢晓羽,方必军,姜彦,丁建宁,赵祥永,罗豪甦. 硅酸盐学报. 2017(09)
[8]锆钛酸钡钙（BCZT）基无铅压电陶瓷的研究现状[J]. 杨琳,邓红,陈云婧. 陶瓷学报. 2016(03)
[9]无铅压电陶瓷的研究进展[J]. 蒲永平,姚谋腾,高子岩,靳乾,郑晗煜,王亚茹. 人工晶体学报. 2015(08)
[10]Bi掺杂BaTiO3陶瓷缺陷性质的第一性原理研究[J]. 张文芹,黄雪琛. 材料导报. 2014(18)
博士论文
[1]铌酸钾钠基无铅压电陶瓷的压电性能与电畴结构的研究[D]. 秦亚琳.山东大学 2015
硕士论文
[1]K0.5Na0.5NbO3无铅压电材料的制备及其复合膜纳米发电机研究[D]. 夏梦杰.太原理工大学 2019
[2]复合掺杂对BCZT无铅压电陶瓷组织和电性能的影响[D]. 蔡恩培.贵州大学 2018
[3](Ba0.85Ca0.15)(Zr0.1Ti0.9)O3陶瓷材料的制备技术、反应机理及电性能研究[D]. 陈晓芳.陕西师范大学 2018
[4]压电陶瓷制备工艺的无铅/少铅化研究[D]. 许俊伸.福州大学 2017
[5]助烧剂对(Ba0.85Ca0.15)(Zr0.1Ti0.9)O3陶瓷材料烧结温度和电学性能的影响[D]. 谢雪珂.陕西师范大学 2016
[6]Li/Ta掺杂KNN无铅陶瓷的压电与温度稳定性能研究[D]. 王娟.哈尔滨理工大学 2016
[7]钙钛矿型碱金属铌酸盐无铅铁电材料研究[D]. 徐芳.湖北大学 2015
[8]BaxCa1-xTiyZr1-yO3基介电陶瓷材料的合成与改性研究[D]. 王玥平.中国地质大学（北京） 2014
[9]多铁性BiFeO3陶瓷中的应力与铁电铁磁畴相互作用机制研究[D]. 刘迎春.哈尔滨工业大学 2013
[10]低温烧结高性能锆钛酸钡钙基无铅压电陶瓷[D]. 孙涛.天津大学 2012
本文编号：3579501
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