钛酸钡-锆酸钡-钛酸钙三元铁电陶瓷的准同型相变及电性能

摘要

赝二元BaZr0.2Ti0.8O3-xBa0.7Ca0.3TiO3(xBC0.3T)压电陶瓷是2009年发现的一种压电系数可以和含铅压电材料相媲美的新型无铅压电材料。研究其巨压电效应的起源设计无铅压电材料的有着指导意义。另一方面该体系可以看作由钛酸钡-锆酸钡-钛酸钙(BT-BZ-CT)构成的三元体系的一部分。同时，该三元体系准同型相界(MPB)区附近相变行为及大压电系数机制尚不完全清楚。为此本文在已有的xBC0.3T体系的研究基础上，研究BT-BZ-CT三元铁电陶瓷体系在MPB附近的相变行为及其于铁电、介电和压电性能的关系，重点研究其 MPB附近的大压电系数的起源。
　　通过研究 xBC0.3T体系的介温曲线得到了其相变的特征温度，发现了该体系的三方和四方两个相区的边界处存在着过渡相区。结合 XRD结果确定这一相区为混合相区，最终得到了修正的xBC0.3T体系的相图。
　　在研究过程中还发现在xBC0.3T体系的MPB附近，成分相同的块体陶瓷样品和粉体样品因为应力状态不同，其相组成不同。表明该体系陶瓷中成分位于MPB附近的样品其相组成对应力十分敏感。这一研究结果表明研究该体系陶瓷的本征相变和巨压电效应的关系需要使用无应力的粉体样品。
　　在xBC0.3T体系新相图的基础上，研究了其他成分的BT-BZ-CT三元体系陶瓷样品的相组成和相变过程，给出了BT-BZ-CT三元体系的相图。根据该相图可以发现，在其它赝二元体系中存在和xBC0.3T体系相类似的MPB。
　　利用聚酰亚胺（PI）材料作为基体，将无应力的xBC0.3T陶瓷粉体混入 PI基体中成功制备了xBC0.3T/PI复合薄膜。利用该复合薄膜进行应力加载，研究了xBC0.3T粉体样品在外应力作用下的本征相变行为，阐明了其本征相变和巨压电效应的关系。结果表明xBC0.3T体系MPB附近成分巨压电效应的起源于R→T相变和T相畴翻转的共同作用。
　　利用葡萄糖为造孔剂制备了不同孔隙率的多孔0.5BC0.3T陶瓷，利用XRD研究了孔隙对多孔0.5BC0.3T陶瓷残余应力的松弛作用，阐明了应力松弛对材料的物相结构造成的影响。利用修正的居里-外斯定律研究了样品的弥散度系数。讨论了样品中的应力松弛对弥散度系数的影响。发现在该体系中存在着应力诱发的弥散性相变。同时发现，可以通过改变样品中的应力状态来实现设计样品弥散程度的目的。
　　研究了BT-BZ-CT三元体系的铁电和压电性能，发现该体系具有优异的铁电和压电性能。其中 MPB附近的样品中存在巨压电效应。利用朗道-德文希尔理论对 MPB附近样品的相变势垒高度进行了计算，利用统计规律研究了该体系材料的相变势垒高度对巨压电效应的影响。研究结果表明BT-BZ-CT三元体系MPB附近成分的巨压电效应的起源和xBC0.3T体系相同，均为R→T相变和T相畴翻转的共同作用。同时发现了R→T相变和T相畴翻转对巨压电效应的影响规律，即在势垒高度较低，R→T相变和T相畴翻转均很容易发生时决定材料压电性能的是相变和畴翻转所造成的极化强度的改变量。而在势垒高度较高时，起决定作用的是势垒高度，也即相变和畴翻转的难易程度。这一结果最终阐明了该体系材料巨压电效应的两种机制，以及这两种机制对压电效应的贡献的细节，为巨压电材料的设计提供了依据。

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第1章 绪 论

1.1 课题背景及研究的目的和意义

1.2 ABO3铁电体及其相变

1.3钙钛矿型ABO3压电陶瓷的准同型相变

1.4 BZT和BCT体系及其相图

1.5 BaZr0.2Ti0.8O3-xBa0.7Ca0.3TiO3体系及其相图

1.6本文的主要研究内容

第2章 试验材料及方法

2.1 实验材料

2.2 材料制备工艺

2.3实验研究方法

第3章 BaTiO3-BaZrO3-CaTiO3三元陶瓷材料近MPB区相图

3.1 引言

3.2 BaZr0.2Ti0.8O3-xBa0.7Ca0.3TiO3陶瓷的组织形貌

3.3 BaZr0.2Ti0.8O3-xBa0.7Ca0.3TiO3陶瓷的相图

3.4三元体系的相图

3.5 本章小结

第4章 BaZr0.2Ti0.8O3-xBa0.7Ca0.3TiO3陶瓷应力诱发相变及弥散性相变

4.1引言

4.2应力诱发相变行为

4.3 BaTiO3-BaZrO3-CaTiO3三元陶瓷弥散性相变分析

4.4本章小结

第5章 BaTiO3-BaZrO3-CaTiO3三元陶瓷介电性能

5.1引言

5.2介电性能与频率关系

5.3室温介电性能与成分关系

5.4相变弥散度与成分的关系

5.5本章小结

第6章 BaTiO3-BaZrO3-CaTiO3三元陶瓷铁电和压电性能

6.1 引言

6.2 铁电性能

6.3 压电性能

6.4 近MPB区压电机制的朗道理论分析

6.5 本章小结

结论

参考文献

攻读博士学位期间发表的论文及其它成果

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致谢

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