新型颗粒复合及层状复合多铁性磁电材料的制备与性能研究

摘要

多铁性磁电材料是一种多功能材料，同时兼具铁电性和铁磁性。这种材料中的铁电性和铁磁性之间又存在磁电耦合效应，具有巨大的潜在应用价值。
　　本文通过固相合成法制备了粉末复合多铁性磁电材料和层状复合多铁性磁电材料，并对复合材料作了物相分析、微观形貌分析、电性能、磁性能以及磁电耦合性能分析。研究了材料的组成、结构对材料的电性能、磁性能和磁电耦合性能的影响，找出了磁电复合材料磁电耦合效应的一般规律。实验制备的磁电复合材料和以往相比，性能得到很大的提高。具体内容如下：
　　(1)通过固相合成法制备了(KNN-LS-BFO)-CFO磁电复合陶瓷，发现由于铁酸钴CoFe2O4烧结温度较高，与KNN-LS-BFO复合低温烧结后CFO结晶完整性较差，晶粒较小，导致材料致密度、压电性能和磁致伸缩性能均较差，因此需要对CFO进行掺杂改性以降低其烧结温度来满足两相共烧的要求。
　　(2)通过对CFO掺入一定量的CuO进行改性，制备了Co0.85Cu0.15Fe2O4（CCFO）铁磁性材料，降低其烧结温度至1100℃，然后通过固相合成法制备了1-x(KNN-LS-BFO)-xCCFO磁电复合陶瓷。研究发现此复合体系中铁磁相和铁电相晶粒均生长完好，但铁磁相较铁电相颗粒较小；研究了复合材料的物相结构，发现钙钛矿结构的KNN-LS-BFO和尖晶石结构的CCFO可以很好的共存，没有观察到杂相产生；同时研究了材料的电性能及磁性能，发现复合体系中随着CCFO含量的增加，材料的压电系数从119pC/N降低到33pC/N左右，材料的饱和磁致伸缩系数逐渐增强，从18×10-6增加到51.5×10-6左右。另外，随着CCFO含量的增加，复合体系的饱和磁化强度和剩余磁化强度基本呈线性增长，但是复合材料的磁电电压系数却不随CCFO的增长呈线性增长，陶瓷样品的磁电电压系数呈现先增大后减小的趋势。当交变磁场频率为1kHz，x=0.3时，磁电电压系数达到最大值16.4mv·cm-1·Oe-1，另外，随着外加偏置磁场的增加，各个组成陶瓷样品的磁电耦合系数αE均是先增加后减小。
　　(3)通过固相合成法制备了1-x（KNN-LS-BFO）-x CUFO（其中x=0.1、0.2、0.3、0.4、0.5）复合多铁性磁电材料。XRD分析表明复合体系中钙钛矿结构的KNN-LS-BFO和尖晶石结构的 CUFO基本能够很好的共存，但有少许杂相混杂于主晶相中。SEM分析表明复合体系中铁电相以及铁磁相晶粒生长完整性均较好，当x从0.1增加到0.5时，材料的压电系数从131pC/N减小到22pC/N，饱和磁化强度和剩磁也随着铁磁相含量的增加而增加，而饱和磁致伸缩系数从4.5×10-6增加到13×10-6左右。随着铁磁相的增加复合体系的磁电耦合性能先增加后降低，在交变磁场频率为1kHz，x=0.2时表现出最大的磁电电压系数9.4 mv·cm-1·Oe-1。
　　(4)采用固相反应法制备了CuO、CeO2共掺杂的Ba0.85Ca0.15 Zr0.1Ti0.9O3基无铅压电陶瓷，分析表明：CuO、CeO2共掺杂的Ba0.85Ca0.15 Zr0.1Ti0.9O3仍可以得到致密度较高的纯相钙钛矿结构陶瓷，较纯相的BCZT其烧结温度可降低至1250℃。研究了CuO、CeO2掺杂量对其晶体结构、压电及介电性能的影响。综合性能最好的BCZT-0.05wt％CeO2-0.2%CuO的压电陶瓷体，其压电系数d33为370 pC/N、居里温度Tc为93℃、介电损耗为0.0147。
　　(5)通过高温熔融粘接法制备了(BCZT-0.05wt%CeO2-0.2%CuO)/CFO层状复合磁电材料，复合材料断面处的SEM分析表明，使用此方法制备的层状磁电复合材料两界面粘接牢固且没有大的裂缝出现，铁电体晶粒与铁磁体晶粒可以紧密接触在一起，随着铁磁相与铁电相厚度比例x的增加，复合材料的饱和磁致伸缩系数λ逐渐增大，磁致伸缩系数从67×10-6增加到134×10-6左右，而压电系数d33逐渐减小，从340 pC/N减小到205 pC/N。测试了机械谐振频率下各个复合体系在不同外加磁场作用下的磁电耦合系数，随着复合材料铁磁体与铁电体厚度比的增加，复合材料的磁电耦合系数先增加而后降低，当铁磁体与铁电体厚度比x=2/1，外磁场为1kOe时磁电电压系数达到最大值320 mv·cm-1·Oe-1。另外，对于任意厚度比的复合体，当外磁场逐渐增大时，磁电电压系数在初始阶段迅速增大到一个极大值后逐渐减小并趋于一定值。
　　(6)通过对粉末复合磁电复合材料和层状复合多铁性磁电材料的制备工艺与磁电性能研究，我们发现层状复合磁电材料的磁电耦合效应比粉末复合磁电材料的磁电耦合效应大的多，因此制备的层状复合材料具有更好的应用前景。

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第一章 绪论

§1.1 研究背景

§1.2 多铁性材料中的压电性、磁致伸缩性能、磁电耦合效应及性能表征

§1.3 0-3型（颗粒弥散型磁电复合）材料的研究现况

§1.4 2-2型（叠层复合型）磁电材料的研究现状

§1.5 1-3型柱状结构复合磁电材料的研究现状

§1.6 多铁性磁电材料的应用与研究意义

§1.7 本课题的研究意义及研究内容

第二章 实验原料与方法

§2.1 实验主要原料

§2.2 实验工艺流程

§2.3 结构与性能表征

第三章 铌酸钾钠/铁酸铜钴磁电复合材料的制备和磁电性能

§3.1 引言

§3.2 KNN-LS-BFO/CFO磁电复合材料的制备与研究

§3.3 KNN-LS-BFO/CCFO磁电复合材料的制备与研究

第四章 铌酸钾钠/铁酸铜磁电复合材料的制备和磁电性质

§4.1 引言

4.2 KNN-LS-BFO/CUFO磁电复合材料的制备与研究

§4.3 小结

第五章 BCZT-CFO磁电复合材料的制备与磁电性能研究

§5.1 引言

§5.2 低温烧结的BCZT压电陶瓷材料研究

§5.3 BCZT-CFO磁电复合材料的制备与磁电性能研究

§5.4 小结

第六章 结论与展望

参考文献

致谢

作者在攻读硕士期间主要研究成果