铌镁酸铅-钛酸铅与铌钪镁酸铅-钛酸铅单晶机电性能和热稳定性的研究

摘要

近年来，弛豫铁电单晶铌镁酸铅-钛酸铅（Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-PbTiO3，即PMN-PT），具有极高的压电和机电耦合性能备受人们关注。但是，人们更多的是关注其三方相或者是MPB相，该组份的PMN-PT晶体相转变温度较低,矫顽电场比较小，限制了其应用范围。四方相的PMN-PT拥有相当的机电性能，并且具有较高的相转变温度。另外，有研究表明铌钪镁酸铅-钛酸铅（PSN-PMN-PT）陶瓷拥有较高的相转变温度，那么PSN-PMN-PT单晶可能具有较广的温度使用范围。考虑到机器产热问题，需要寻找同时具有高压电机电耦合性能和宽的温度适用范围的材料。本论文选择对四方相的PMN-PT和PSN-PMN-PT单晶为研究对象，对其的机电性能及温度稳定性进行研究。
　　首先，对[001]C方向极化的四方相的PMN-0.37PT晶体进行研究。发现该晶体拥有较高的居里温度（174℃）和矫顽电场EC（7.4kV/cm）。其全矩阵参数表明该晶体拥有较强的各向异性，很好的横向介电性能和切向压电性能。通过理论推导可知PMN-0.37PT单晶沿[011]C方向极化可以获得较高的综合性能。随着温度的升高，该晶体的各向异性在不断降低，其纵向压电性能d33的最大值取向不断的向[001]C方向偏转。温度在140℃以下时，该晶体拥有较好的压电热稳性和横向介电热稳性。
　　其次，对[011]C方向极化的PMN-PT晶进行了研究。随着[011]C方向电场的增加，单晶从四方相转变为MC相，最终变为单畴正交相；在降低电压的过程当中，单晶从单畴正交相转变到MC相，最终到四方相与MC相的混合结构。48小时后，相结构稳定但依旧存在单斜相。由于单斜相的存在，导致了该晶体在室温下有极好的压电和机电耦合性能。随着温度升高，晶体中的单斜相体积不发生变化，但是其纵向性能对温度比较敏感。因而，对于压电器件来讲，应当尽量避免含有单斜相结构的晶体，但可以考虑使用在热敏器件当中。
　　最后，对[001]C方向极化的0.06PSN-0.61PMN-0.33PT晶体进行研究。该晶体具有高于PMN-0.33PT晶体相转变温度，但其矫顽电场和应变量更有优势。其全矩阵参数表明该晶体拥有较高的弹性常数，优异的纵向压电性能d33和机电耦合性能k33（1287pC/N和90.8％）。该晶体的各压电性能之间相差明显，拥有较好的各向异性。通过对该晶体各性能的温度稳定性进行分析可知，该晶体在80℃至130℃之间具有较好且稳定的纵向或者横向压电性能；在80℃以下剪切机电性能较好且稳定。