Ba1-1xCaxTiO3铁电陶瓷的制备及结构与性能研究

摘要

本研究采用溶胶-凝胶法制备Ba1-xCaxTiO3陶瓷(x=0.0-0.30),利用XRD和SEM分析不同组分陶瓷的微观结构和形貌。利用TF Analyzer 2000对其电滞回线、压电响应曲线、压电位移曲线、介温谱曲线、C-V曲线、反转电流曲线等进行测试,分析Ba1-xCaxTiO3陶瓷电学性能的关系。通过对陶瓷的电滞回线和反转电流曲线测试,分析电场大小和频率对电滞回线的影响以及电场大小和温度对反转电流曲线的影响,分析陶瓷的极化反转过程。XRD表明所有的样品都具备纯的钙钛矿结构,说明Ca溶入到BaTi03中形成固溶体,并且随着钙含量的增加样品逐渐由单纯的四方相转变为四方相与正交相共存状态。通过测试不同条件下Ba1-xCaxTiO3陶瓷的电滞回线,比较矫顽电场和剩余极化强度的大小,发现对Ba0.9Ca0.1TiO3陶瓷,Pr随着烧结温度的升高有一个增大的趋势,Ec随烧结温度并没有一个规律的变化。随着测试温度的升高,电滞回线慢慢变的细小,矫顽电场和剩余极化强度都在减小,到相变温度之前,Pr随温度的变化比较稳定,电滞回线变化的不太明显,但是在相变温度附近,Pr迅速降低,而在整个变化过程中由于电畴产生了热扰动而使电滞回线的面积一直在减小。在溶胶-凝胶法制备的Ba1-xCaxTiO3陶瓷研究中,实验发现当x=0.23时,陶瓷的铁电性能和压电性能明显的高于其他组分。这是因为x=0.23时,接近四方相陶瓷的极限固溶率,室温下,陶瓷的矫顽电场较小,剩余极化强度较大,压电响应曲线测试表明陶瓷的最大纵向压电系数d33约为310pm/V。通过介温谱发现,四方相与立方相变温度与纯钛酸钡的相差不大,都在120℃附近,钙掺杂的钛酸钡陶瓷表现出弥散性,并且随着钙含量的增加弥散程度进一步加强,采用类居里-外斯定律分析当x从0到0.23变化时候,Y值从1.01增加到1.60。介绍了极化反转,并测试了Ba0.90Ca0.10TiO3陶瓷电场大小和频率对电滞回线的影响以及电场大小和温度对极化反转电流的影响。通过这些测试分析了陶瓷的极化反转过程,这些结果反映了电场大小和频率对电畴反转的影响,发生极化反转时的能量存在一个临界值,这个能量代表着其内部的反转障碍。施加电场的增加会增加新畴成核,从而提高反转电流,电畴反转是一个能量过程。

目录

摘要

ABSTRACT

目录

第一章 绪论

1.1 引言

1.2 研究背景

1.2.1 钛酸钡基铁电材料概述

1.2.2 钛酸钡基铁电材料电畴和相变

1.2.3 本文研究的国内外发展现状

1.3 本研究的主要内容及意义

1.3.1 本研究的主要内容

1.3.2 本研究的意义

1.3.3 本研究的创新点

第二章 Ba_(1-x)Ca_xTiO_3陶瓷的制备

2.1 溶胶-凝胶法基本过程

2.2 溶胶-凝胶法制备Ba_(1-x)Ca_xTiO_3陶瓷

2.2.1 主要实验药品及仪器

2.2.2 实验过程

2.3 本章小结

第三章 Ba_(1-x)Ca_xTiO_3陶瓷的结构和电学性能研究

3.1 Ba_(1-x)Ca_xTiO_3陶瓷的晶体结构与表面形貌分析

3.1.1 结构测试----X射线衍射(XRD)分析

3.1.2 表面形貌测试----SEM分析

3.2 Ba_(1-x)Ca_xTiO_3陶瓷的铁电压电性能研究

3.2.1 Ba_(1-x)Ca_xTiO_3陶瓷的铁电性能

3.2.2 Ba_(1-x)Ca_xTiO_3陶瓷的压电性能

3.3 Ba_(1-x)Ca_xTiO_3陶瓷的介电性能研究

3.3.1 Ba_(1-x)Ca_xTiO_3陶瓷的弥散相变

3.3.2 Ba_(0.9)Ca_(0.1)TiO_3陶瓷的可调性

3.4 本章小结

第四章 Ba_(0.90)Ca_(0.10)TiO_3陶瓷的极化反转过程机理的探讨

4.1 极化反转基本理论

4.1.1 极化反转过程研究方法

4.1.2 极化反转的基本过程

4.2 Ba_(0.90)Ca_(0.10)TiO_3陶瓷的极化反转过程

4.2.1 电场大小和频率对电滞回线的影响

4.2.2 电场大小和温度对反转电流的影响

4.3 本章小结

第五章 问题与展望

参考文献

攻读硕士期间发表的论文

硕士在读期间获得的奖励

致谢