PZT/Ni、BNT铁性薄膜材料的制备及其力电磁性能鼓包测试表征

摘要

铁性材料主要包括铁电材料、铁磁材料、铁弹材料、磁电复合材料等。铁电材料、磁电复合材料已经广泛的应用到航空航天、信息存储、人工智能、微机电、可穿戴设备等领域。在不同的服役环境下，铁性材料的性能可能受到磁场、电场、力场甚至是多场共存的干扰和冲击，复杂的服役环境可能导致其性能降低甚至失效，造成无法预知的损失和灾难。因此，掌握不同服役环境下铁性薄膜材料的性能变化及其失效机制具有重要的应用价值和意义。本文以铁电材料Pb(Zr0.52Ti0.48)O3(PZT)、Bi3.15Nd0.85Ti3O12(BNT)、磁性材料Ni为研究对象，分别研究了溶胶凝胶法制备参数对PZT、BNT铁电薄膜性能的影响；在新型多功能鼓包测试系统平台上，测试了 PZT、PZT/Ni、BNT鼓包样品对外界力场、电场以及磁场激励的响应。具体内容及结果归纳如下：
　　(1)研究了溶胶凝胶法的制备工艺对PZT、BNT铁电薄膜性能的影响并测试得到了其弹性模量和残余应力等参数。结果表明：在700℃氧气氛围中退火，10层厚的PZT薄膜和8层厚的BNT薄膜的铁电性能最好；PZT、BNT薄膜的残余应力和弹性模量分别为66.8 MPa、99.6MPa和159.3 GPa、189GPa；PZT、BNT薄膜的弹性刚度系数为15.4×1010 N/m2、18.4×1010 N/m2，其压电系数|e31|均随电场的增加而降低。
　　(2)测试了电场和鼓包油压强度对PZT、BNT的弹性模量和铁电性能的影响。结果表明：电场从0 kV/cm增加到140kV/cm时，PZT薄膜的弹性模量由159.2 GPa增加277.2 GPa；电场从0 kV/cm增加到500kV/cm时，BNT薄膜的弹性模量由189.0 GPa增加到277.2 GPa。鼓包油压使PZT薄膜的剩余极化强度从22.8μC/cm2增加到26.7μC/cm2，电矫顽场由137.0 kV/cm增加到181.0 kV/cm。而油压使BNT薄膜的剩余极化强度从24.8μC/cm2增加到28.3μC/cm2；矫顽电场由385.0 kV/cm降低到342.5 kV/cm。
　　(3)研究了PZT/Ni复合薄膜的磁性能、电磁耦合和力磁耦合效应。研究结果表明：PZT/Ni复合薄膜的磁滞回线表现出极佳的矩形度，在去除硅基底的约束后，PZT/Ni复合薄膜磁矫顽场降低。电场通过电磁耦合作用，使PZT/Ni薄膜的矫顽磁场由28.7 Oe增加到38.3 Oe。油压通过压磁效应，使PZT/Ni复合薄膜的矫顽磁场由21.7 Oe增加到31.7 Oe。

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第1章 绪论

1.1 引言

1.2 薄膜材料测试表征方法以及发展概况

1.3 本文选题意义和研究内容

第2章 铁电薄膜的制备及实验测试分析方法

2.1 铁电薄膜的制备

2.2 鼓包样品的制备

2.3 实验设备及测试平台

2.4 本章小结

第3章 Pb(Zr0.52Ti0.48)O3、Pb(Zr0.52Ti0.48)O3/Ni薄膜多场耦合性能测试分析

3.1 制备参数对PZT薄膜铁电性能的影响

3.2 PZT多场鼓包测试分析

3.3 PZT/Ni多场鼓包测试分析

3.4 本章小结

第4章 Bi3.15Nd0.85Ti3O12铁电薄膜力电耦合测试分析

4.1 制备工艺对BNT薄膜铁电性能的影响

4.2 BNT薄膜力电耦合测试分析

4.3 本章小结

第5章 总结与展望

5.1 工作总结

5.2 工作展望

参考文献

致谢

附录A: 个人简历、攻读硕士学位期间发表学术论文