铌酸钾钠基无铅压电层状磁电复合材料的制备及其性能研究

摘要

随着科学技术的飞速发展，电子元器件的微型化和多功能化逐渐成为研究领域的热点。磁电复合材料同时兼具铁电性、铁磁性和磁电耦合性能，在传感器、滤波器、相位器、数据储存器等其他电子器件领域有着十分广阔的应用前景。但单相磁电材料在室温以上时，磁电效应十分微弱，很难应用到实际，故现在的磁电材料多为磁电复合材料。磁电复合材料从结构上主要分为颗粒复合材料和层状复合材料，其中，层状结构磁电复合材料因具有其较高的磁电耦合系数而倍受关注。同时，当前的无铅磁电复合材料多以BaTiO3基为主，磁电耦合系数相对较低，为了进一步增强磁电效应，本文从选取高性能的压电材料入手，通过调整材料结构和改变成型工艺来制备层状磁电复合材料，并对其性能进行研究，探讨影响磁电复合材料磁电效应的因素。磁电效应是通过压电效应和磁致伸缩效应的乘积来实现的，因此，磁电效应不仅与压电铁磁两单相的性能密不可分，同时两相的相对含量也将直接影响复合材料的磁电耦合性能。本文主要以掺杂改性的KNN基压电材料为压电相，与铁磁相(Ni, Zn)FeO3和CoFe2O4进行复合制备层状磁电复合材料。采用X射线衍射仪（XRD）和电子扫描显微镜（SEM）对其物相组成及结构进行分析，通过铁电测试仪对其电学性能进行分析，最后通过自组装磁电测试仪研究复合材料的磁电性能，并对其进行比较，得出层状复合材料性能的优越性。
　　本研究主要内容包括：⑴以Li、Ta、Sb离子共掺的(K0.45Na0.55)0.98Li0.02(Nb0.77Ta0.18Sb0.05)O3(LKNNTS)为压电相，以Ni0.37Cu0.20Zn0.43Fe1.92O3.88(NCZF)为铁磁相，垒层叠压两相，冷等静压，共烧得到LKNNTS/NCZF层状结构的复合材料。研究表明，在高温烧结过程中，复合材料中的LKNNTS相和NCZF相在界面处没有发生化学反应和明显的元素扩散。通过介电、铁电和磁电性能的测试发现，层状复合材料相比颗粒型复合材料具有较大的电阻率，较高的居里温度（240 oC），典型的铁电体饱和电滞回线，较低的漏电流密度和优异的磁电耦合系数。层状复合材料的最大磁电耦合系数为133 mV/cm Oe，是颗粒型复合材料（34 mV/cm Oe）的4倍左右。⑵以单掺Li离子的Li0.058(Na0.535K0.48)0.942NbO3(LKNN)为压电相，以具有高磁致伸缩效应的Co0.6Zn0.4Fe1.7Mn0.3O4(CZFM)为铁磁相，向其中加入烧结助剂（LiCO3），采用同一方法使两相共烧在一起，得到LKNN/CZFM层状复合材料。结果表明：LKNN和CZFM两相可以共存且不发生化学反应和元素扩散，两相层状结构明显，晶粒发育良好，致密度较高，没有明显的缺陷和气孔。LKNN/CZFM层状结构复合材料表现出优异的磁电效应，最大的磁电耦合系数高达285 mV/cm Oe，相比于LKNNTS/NCZF层状复合材料有了很大提高。⑶采用流延成型的方法制备出LKNN/CZFM多层结构的复合材料，所得膜材呈二维薄平分布，材料缺陷相对尺寸较小，性能更一致，更稳定。对比三层结构复合材料，结果表明：多层结构进一步提高了复合材料的电阻，降低了泄漏电流密度，击穿场强大大增强，铁磁性能也有所提高，从而提高了复合材料的磁电效应。LKNN/CZFM多层复合材料的最大磁电耦合系数为307 mV/cm Oe，相比于现阶段同类无铅层状磁电复合材料，磁电耦合性能有了大幅度的提升。

目录

1 绪论

1.1 选题背景及意义

1.2 压电材料的基本性能

1.3 铁磁材料的基本性能

1.4 磁电复合材料

1.5本文的研究内容

2 实验方案设计与研究内容

2.1 实验研究内容

2.2 实验原料及实验设备

2.3 实验技术路线及工艺流程

2.4 实验测试分析方法

3 LKNNTS/NCZF层状磁电复合材料的制备及其性能研究

3.1 前言

3.2 LKNNTS/NCZF磁电复合材料的制备

3.3 LKNNTS/NCZF层状磁电复合材料性能研究

3.4 本章小结

4 LKNN/CZFM层状磁电复合材料的制备及其性能研究

4.1 前言

4.2 LKNN/CZFM磁电复合材料的制备

4.3 LKNN/CZFM层状磁电复合材料的性能研究

4.4 本章小结

5 LKNN/CZFM多层磁电复合材料的制备及其性能研究

5.1 前言

5.2 LKNN/CZFM多层复合材料的流延法制备

5.3 LKNN/CZFM多层复合材料的性能研究

5.4 本章小结

6 结论

致谢

参考文献

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