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【6h】

Li+-Al3+共掺杂ABO3铁电陶瓷的电性能与压电机制

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目录

第1章 绪 论

1.1 课题背景及研究的目的和意义

1.2 ABO3钙钛矿型压电陶瓷

1.3 ABO3钙钛矿型压电陶瓷中的大压电效应

1.4 A2+B4+O3钙钛矿型压电陶瓷的离子掺杂

1.5 ABO3钙钛矿型压电陶瓷中的缺陷偶极子

1.6 本文的研究内容

第2章 试验材料及方法

2.1 试验材料

2.2材料制备工艺

2.3材料的结构表征

2.4 材料的电学性能测量

第3章 点缺陷对钛酸钡电学性能的影响

3.1 引言

3.2钛酸钡纳米线结构表征

3.3复合材料结构表征

3.4钛酸钡纳米线/聚合物复合材料电学性能

3.5氧空位缺陷对钛酸钡纳米线电性能的影响

3.6 本章小结

第4章 Li+-Al3+共掺杂钛酸钡陶瓷结构与电性能

4.1 引言

4.2 Ba1-2x(LiAl)xTiO3陶瓷物相与组织结构

4.3 Ba1-2x(LiAl)xTiO3陶瓷铁电性能

4.4 Li+-Al3+离子对的取向化

4.5 Ba1-2x(LiAl)xTiO3陶瓷压电性能及其温度稳定性

4.6 Ba1-2x(LiAl)xTiO3陶瓷介电性能

4.7 本章小结

第5章 Li+-Al3+共掺杂锆钛酸铅陶瓷结构与电性能

5.1 引言

5.2 Pb1-2x(LiAl)xZryTi1-yO3陶瓷物相与组织结构

5.3 Pb1-2x(LiAl)xZryTi1-yO3陶瓷介电性能

5.4 Pb1-2x(LiAl)xZryTi1-yO3陶瓷铁电性能与束腰电滞回线

5.5 Pb0.98(LiAl)0.01ZryTi1-yO3陶瓷压电性能及其温度稳定性

5.6 本章小结

第6章 离子对掺杂对ABO3铁电体相变特性的影响与压电机理

6.1 引言

6.2 BLAT与PLAZT陶瓷相变特性

6.3 Landau-Ginzburg-Devonshire 理论分析

6.4 离子对掺杂提高ABO3铁电体压电性能机理分析

6.5 本章小结

结论

创新点

参考文献

攻读博士学位期间发表的论文及其他成果

声明

致谢

个人简历

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摘要

掺杂是在ABO3钙钛矿结构压电陶瓷中获得大压电效应的重要途径,掺杂造成相不稳定通常是大压电效应的内在来源,如准同型相界(MPB)和多型性相变(PPT),在 ABO3压电陶瓷中是否还有其他获得大压电效应的机制一直受到广泛关注。本文利用固相合成法合成A位施主-受主(Li+-Al3+)共掺杂的BaTiO3与 Pb(Zr,Ti)O3体系陶瓷,表征了陶瓷的物相及微观结构,测试陶瓷的介电、铁电与压电性能,探讨掺杂提高压电性能的原因,提出一种获得大压电效应的掺杂路线,阐明了这种掺杂路线的压电机制。
  在 ABO3结构氧化物的合成过程中有氧空位的产生,氧空位使 BaTiO3有从绝缘体向导体转变的趋势。在ABO3体系中施主与受主共掺杂可以有效的降低氧空位缺陷的产生,在Li+与Al3+共掺杂的BaTiO3陶瓷中,X射线衍射(XRD)结果表明Li+与Al3+有占据同一单胞的相邻A位,在[001]pc方向择优取向排列的趋势,通过第一性原理分析证明了这种排列的合理性与可行性。在掺杂后陶瓷的电畴中,发现不同于正常电畴的异形畴,这种异形畴被认为是离子对周围畸变电场造成的,异形畴的发现间接地证明了离子对的存在。离子对作为一种偶极子,在温度场与电场的共同作用下可以发生取向化行为,将离子对进行取向化后,陶瓷出现了自建电场,场强达到2.1 kV/cm。掺杂显著提高了BaTiO3陶瓷的压电性能,1 mol%掺杂量下的陶瓷的压电系数(d33)达到300 pC/N,机械品质因数(Qm)高达2000,退极化温度接近居里温度。
  为验证这种掺杂方法在ABO3体系陶瓷中的普适性,系统研究了掺杂对不同相区的 PZT陶瓷的铁电与压电性能的影响。XRD结果表明 PZT陶瓷中Li+-Al3+的占位方式与 BaTiO3陶瓷中相同,掺杂后的 PZT陶瓷中发现束腰电滞回线,这种电滞回线来源于离子对产生的电偶极矩对电畴内部自发极化的影响,束腰电滞回线几乎没有弛豫特性。压电性能结果表明掺杂对四方相区附近的PZT陶瓷的压电性能有积极作用,对菱方相区附近的PZT陶瓷压电性能几乎没有影响,掺杂显著拓宽了PZT陶瓷的最优性能区间。
  介温谱与高温 XRD数据表明掺杂造成四方相陶瓷的四方-立方相变在较宽的温度区间内完成,具有弥散性,利用Landau-Ginzburg-Devonshire理论分析了掺杂应力对 T相的 BaTiO3、PZT陶瓷和 R相的 PZT陶瓷中铁电-顺电相的势垒高度的影响,计算发现应力使得T相陶瓷的势垒高度明显降低,但对R相陶瓷的势垒高度几乎没有影响,基于唯象理论解释了该种掺杂提高压电性能的原因-应力诱导自由能曲面平坦化,最后,计算了可以使不同相结构(四方相,正交相和菱方相)ABO3体系势垒高度下降的敏感应力方向,为在其他ABO3体系中通过该种掺杂路线获得大压电效应提供理论支持。

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