钙钛矿型Pb基反铁电陶瓷粉的合成、结构表征及电性能

摘要

制备高功率密度、大容量电容器的关键是寻求一种同时具有能量存储密度、高储能效率（即低能量损耗）及快速存放电行为的材料。Pb基反铁电材料就是这样的相变材料，其在温度、电场及应力的诱导下可以实现反铁电态（AFE）与顺电态（P）和AFE与铁电态（FE）之间的快速转变，呈现出双电滞回线，从而可以实现能量的存储与释放。
　　论文采用溶胶-凝胶技术合成了成分不同、但均具有纯相钙钛矿结构的Pb基反铁电陶瓷粉，并将陶瓷粉烧结成陶瓷。借助差热-热重分析仪（DSC-TG），X射线衍射仪(XRD)，扫描电子显微镜(SEM)、拉曼测试仪（Ramam）等对陶瓷粉的组成结构进行了表征，采用介电性能测试仪和铁电性能测试仪对陶瓷的电性能进行了测试。探讨了铅过量、添加剂的种类及含量对Pb基陶瓷粉的结构及微观形貌的影响，获得了合成纯相钙钛矿结构PZ陶瓷粉的最优工艺参数。分析了La3+、Ti4+、La3+和Ti4+的混合掺杂对钙钛矿结构Pb基反铁电陶瓷粉的合成温度、晶粒尺寸、微观形貌及电性能的影响。
　　论文采用溶胶-凝胶法制备了不同铅过量的PZ陶瓷粉。实验发现，制备钙钛矿结构的PZ时，铅的最佳过量值为3％。钙钛矿结构PZ陶瓷粉的最佳合成工艺为：煅烧温度为900℃，保温时间为2h。但实验合成的PZ粉体团聚现象严重。
　　考虑到钙钛矿结构PZ的合成温度太高、且粉体团聚现象严重，论文探讨了DEA和PEG对PZ陶瓷粉的相变温度、晶粒尺寸、颗粒形貌等的影响。实验发现，DEA的添加有助于降低单一钙钛矿结构PZ陶瓷粉的合成温度。在Pb过量3%的PZ陶瓷粉中添加10%的DEA，保温2h时，单一钙钛矿结构PZ陶瓷粉的合成温度从900℃降至580℃。添加10%的PEG，PZ陶瓷粉团聚的颗粒分散效果明显。
　　元素掺杂的结果表明，添加La3+、Ti4+后，晶格畸变致使钙钛矿结构的Pb基反铁电材料的晶粒细化，合成温度降低。PLZ陶瓷粉的合成温度为540℃，晶粒尺寸的理论计算值为35.47nm。PZT陶瓷粉的合成温度为600℃，晶粒尺寸的理论计算值为47.50nm。PLZT陶瓷粉的合成温度为580℃，晶粒尺寸的理论计算值为45.43nm。
　　Ramam谱的测试结果表明，室温下，钙钛矿结构PZ的相结构为反铁电正交相，PLZ的相结构为反铁电四方相，PZT的相结构为反铁电正交相，PLZT的相结构为反铁电四方相。
　　电性能的测试结果表明，PZ陶瓷的居里温度TC为226℃；介电常数ε为2264；场致开关场强EA-F=13.4 KV/cm，EF-A=10.2 KV/cm；饱和极化PS=11.28 UC/cm2。PLZ陶瓷的TC为151℃；介电常数ε为3489；场致开关场强EA-F=9.9 KV/cm，EF-A=6.6 KV/cm；饱和极化PS=12.26 UC/cm2。PZT陶瓷的TC为230℃；ε为2641，场致开关场强EA-F=12.1 KV/cm，EF-A=7.4KV/cm；PS=19.41 UC/cm2。PLZT的TC降低至148℃；介电常数ε为3196；场致开关场强EA-F=7.4 KV/cm，EF-A=3.8KV/cm；饱和极化PS=22.49 UC/cm2。

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第一章 绪论

1.1 反铁电材料研究历史

1.2 Pb基反铁电材料的基本理论

1.3 Pb基反铁电陶瓷粉的制备技术

1.4 元素的掺杂

1.5 课题的提出及主要研究内容

第二章 实验过程

2.1 原料与设备

2.2 实验方案

2.3 结构表征与测试

第三章 PZ陶瓷粉的合成及最佳Pb过量的探索

3.1 差热-热重分析（DSC-TG）

3.2 X射线衍射仪分析（XRD）

3.3 SEM分析

3.4本章小结

第四章 添加剂对PZ陶瓷粉的合成及形貌的影响

4.1 二乙醇胺（DEA）添加量的探索

4.2 聚乙二醇-10000（PEG）的添加对PZ陶瓷粉分散效果的影响

4.3本章小结

第五章 元素掺杂Pb基陶瓷粉的合成及电性能测试

5.1 La3+的A位掺杂

5.2 Ti4+的B位掺杂

5.3 La3+、Ti4+的A、B位混合掺杂

5.4 拉曼综合分析

5.5电性能分析

5.6本章小结

结论

参考文献

致谢

在读期间发表的学术论文与取得的其他研究成果