Ba1-xSrxTiO3基陶瓷的铁电性能及电卡效应

摘要

利用电卡效应进行制冷的技术由于其成本低、能源转换率高以及环保等优势而备受关注。Ba1-xSrxTiO3陶瓷具有良好的介电、铁电、热释电等性能，是制备高电卡效应的候选材料，同时还可通过控制Sr的含量来调控其居里温度至室温附近，实现在室温下制冷。本文系统研究了Ba1-xSrxTiO3基陶瓷的成分、晶体结构、微结构与介电和铁电性能之间的关系，探讨影响该体系材料的介电击穿场强和电卡效应的因素，寻求提高无铅陶瓷在室温下电卡效应的方法。
　　采用放电等离子烧结法(以下简写成SPS)制备出了高致密度、细晶的Ba1-xSrxTiO3(x=0.30，0.35)陶瓷(以下分别简写成BST-30及BST-35)，利用拉曼光谱和透射电子显微镜对SPS和传统固相烧结法(以下简写成CS)烧结陶瓷的微观结构和性能进行对比分析。研究发现，SPS试样的晶粒尺寸比CS的小;随晶粒尺寸的减小，试样中四方相逐渐减少，介电常数逐渐减小，而介电弥散逐渐增大。这些现象可归因于随四方相的减少，单位体积内所含铁电畴壁量减少。同时，发现陶瓷的晶粒尺寸对畴结构的影响很大，即SPS试样中的四方相结构发育不完全，导致其铁电畴形成不完全，从而降低其介电常数。
　　测量SPS和CS两种烧结方法制备的BST-30和BST-35陶瓷在不同温度下的极化值，发现不同的烧结法会影响陶瓷的铁电性能，从而影响电卡效应。SPS制备的BST-35及BST-30陶瓷，致密度高，晶粒细，大大提高了其介电击穿场强，介电击穿场强可达90 kV/cm，比CS样品高出一倍多。SPS制备的BST-35陶瓷在30℃附近获得最大的电卡效应，即△E=90 kV/cm时，△T值为2.1℃，是CS试样的2.5倍左右，最大的△S值为3.28 J/(kg·K);其△T/△E值为0.0233mK·cm/V，比CS试样提高了12％。
　　SPS制备了单相的Ba1-xSrxTi0.997Mn0.003O3(x=0.30，0.35)陶瓷(以下简写成BSTM-30与BSTM-35)，Mn2+的离子半径比Ti4+的大，置换后晶格发生畸变，体积变大。由于铁电相自由能升高，四方相稳定性降低，导致相变温度向低温方向移动，且Femi能级下移，从而降低漏导电流和介电损耗。SPS烧结的BSTM-35陶瓷在20℃获得最大的电卡效应，即△E=130 kV/cm时，△T值为3.08℃，是CS烧结BST-35陶瓷的3.7倍左右，是SPS烧结BST-35陶瓷的1.4倍;最大的△S值为4.77 J/(kg·K);其△T/△E值为0.0237 mK·cm/V，比CS的提高了22％。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 引言

1．2 电卡效应概述

1．2．1 概念及物理意义

1．2．2 电卡效应的测量方法

1．2．3 电卡效应材料的研究进展

1．3 基于电卡效应的制冷技术原理

1．4 Ba1-xSrxTiO3基陶瓷

1．4．1 Ba1-xSrxTiO3晶体结构

1．4．2 Ba1-xSrxTiO3的置换改性

1．5 放电等离子烧结(SPS)技术

1．5．1 SPS技术的发展

1．5．2 SPS技术原理

1．5．3 SPS技术的工艺

1．5．4 SPS技术的应用

1．6 课题的提出与研究内容

第二章 Ba1-xSrxTiO3陶瓷的介电及铁电性能

2．1 前言

2．2 样品的制备与测试

2．2．1 陶瓷样品的制备

2．2．2 陶瓷样品的测试

2．3 实验结果与讨论

2．3．1 烧结特性

2．3．2 相组成与微结构

2．3．3 介电性能和热学性能分析

2．3．4 拉曼光谱分析

2．4 小结

第三章 Ba1-xSrxTiO3陶瓷在室温附近的电卡效应

3．1 引言

3．2 样品的制备与测试

3．2．1 陶瓷样品的制备

3．2．2 陶瓷样品的测试

3．3 实验结果与讨论

3．3．1 介温性能及热学性能分析

3．3．2 极化值测量

3．3．3 ECE计算分析

3．4 小结

第四章 Mn置换Ba1-xSrxTiO3陶瓷在室温的电卡效应

4．1 前言

4．2 样品的制备与测试

4．2．1 陶瓷样品的制备

4．2．2 陶瓷样品的测试

4．3 实验结果与讨论

4．3．1 相组成和微观结构分析

4．3．2 介温性能及热学性能分析

4．3．3 极化值测量

4．3．4 ECE计算分析

4．4 小结

第五章 总结

参考文献

致谢

个人简历

攻读学位期间发表的学术论文与取得的其它研究成果