Sm掺杂PMN-PT铁电陶瓷场诱应变的研究

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弛豫铁电体具有优异的介电、压电性能,广泛应用于超声换能器、传感器、滤波器以及致动器等电子器件之中。铌镁酸铅-钛酸铅(PMN-PT)是一种典型的弛豫铁电体,是目前研究热点之一。2018年,Li发现Sm掺杂PMN-PT铁电陶瓷具有超高压电常数,可以产生大场诱应变效应。然而,对该材料场诱应变效应的研究尚不够详尽,如场诱应变温度稳定性及其内在机制。有基于此,本论文以PMN-PT陶瓷为研究对象,通过固相两步合成法制备了一系列2.5 mol%Sm掺杂的PMN-x PT(x=26-35 mol%)陶瓷,系统地研究了该陶瓷的结构和性能,并在此基础上对其场诱应变性能进行了机理分析,取得的成果如下:(1)对所有样品进行微观结构表征。通过XRD相结构分析发现:所有样品均形成了钙钛矿相结构;Sm离子的引入使准同型相界MPB向低PT方向移动,该体系的MPB位于x=28-29 mol%附近;随着PT含量的增加,体系逐渐由赝立方相转变为四方相。通过SEM微观形貌表征发现:所有样品均烧结致密,随着PT含量的增加,平均晶粒尺寸先减小后增大,当x=29 mol%时,样品的平均晶粒尺寸达到最小,约为4.7μm。(2)对所有样品进行介电、压电及铁电等性能的测试。通过介电以及谐振温谱测试发现:随着PT含量的增加,体系的弛豫性逐渐减弱,介电常数最大值对应温度Tm与退极化温度Td基本呈线性上升且两者逐渐靠近。通过室温下介电、压电以及铁电测试发现:极化前后介电常数与介电损耗均随着PT含量的增加而减小;Sm离子的引入可以有效提升体系的介电与压电性能;当x=29 mol%时,样品的压电常数最高,性能参数如下:d33=1281 p C/N,kp=0.70,Qm=28.02,εr=11550,tanδ=0.038;所有样品均表现出类矩形的电滞回线,随着PT含量的增加,电滞回线由“瘦长”逐渐变得“宽胖”,矫顽场Ec单调增加。(3)在室温以及一定温度范围内,对所有样品的场诱应变进行了测试,测试电场大小为0.8 k V/mm。在室温下,最大场诱应变在x=31 mol%处获得,对应双向应变Smax=7.7×10-4,单向应变Suni=3.9×10-4;在17℃~65℃的温度范围内,场诱应变温度稳定性随着PT含量的增加而得到提升,但PT含量过高会使得应变量下降且应变迟滞增大,因此整体性能最优点在x=31 mol%处获得,此时样品既拥有大应变量,同时应变温度稳定性良好;样品的场诱应变与畴结构息息相关:由于当温度低于冻结温度Tf时,样品内形成微畴,因此T
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