高居里温度压电陶瓷PMN-PH-PT的制备及其性能研究

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随着科学技术的发展,地质勘探、汽车、航空航天等领域对高温和高能量密度的压电材料有着迫切的需求,因此寻找高居里温度(TC)、电学性能优异的铁电体一直是世界各国研究人员的长期任务。Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-PbHfO3-PbTiO3(PMN-PH-PT)陶瓷具有相对较高的TC,优异的介电、铁电和压电性能,有望应用于高温驱动领域。然而,国内外对PMN-PH-PT陶瓷的研究并不多,因此本论文从四个方面对其进行深入系统的研究。第一部分通过铌铁矿预合成法制备PMN-PH-PT陶瓷。详细地研究了烧结工艺和组成对PMN-PH-PT陶瓷结构和电学性能的影响。XRD测量表明,PMN-PH-PT陶瓷具有纯的赝立方钙钛矿相结构,在室温下三方四方两相共存,烧结工艺和组成都会诱导PMN-PH-PT陶瓷产生结构相变。升降温介电温谱表明PMN-PH-PT陶瓷在TC处会发生一个一级的三方/四方铁电相到立方顺电相的相变,根据介电温谱结果通过居里-外斯定律拟合和指数定律拟合表明PMN-PH-PT是具有弥散型相变特征的正常铁电体。最佳的烧结工艺下(1260?C-2 h)制备的0.15PMN-0.38PH-0.47PT陶瓷具有最佳的电学性能,其?m=22598,TC=291?C,d*33=716.7 pm/V,d33=367.4 pC/N,Kp=53.42%,Qm=170.5,Np=208.24 kHz?cm。第二部分通过柠檬酸盐法和部分草酸盐工艺制备0.15PMN-0.38PH-0.47PT陶瓷来提高其电学性能。系统地研究了前驱体制备工艺、煅烧温度和烧结温度对PMN-PH-PT陶瓷相结构、微观形貌和电学性能的影响。柠檬酸盐法和部分草酸盐工艺都极大的提高了0.15PMN-0.38PH-0.47PT前驱体粉体的活性,降低了粉体的煅烧温度和陶瓷的烧结温度。随着煅烧温度和烧结温度的提高,柠檬酸盐法和部分草酸盐工艺制备的0.15PMN-0.38PH-0.47PT陶瓷的电学性能都先提高后降低,都在775?C煅烧、1245?C烧结时具有最佳的电学性能,远远超过铌铁矿预合成制备的陶瓷样品,这与准同型相界(MPB)效应和两种液相法制备的陶瓷样品具有更加致密均匀的微观结构有关。三种方法中,部分草酸盐工艺制备的0.15PMN-0.38PH-0.47PT陶瓷具有最佳的电学性能,并且在TC以下具有极好的热稳定性,其TC=291?C,?m=28937,Pr=32.89?C/cm2,Ec=9.35 kV/cm,d*33=845.3pm/V,d33=456.2 pC/N,Kp=67.20%。第三部分探讨了PMN-PH-PT陶瓷的微观压电响应机制,揭示了不同组分的PMN-PH-PT陶瓷和不同方法制备的同一组分的0.15PMN-0.38PH-0.47PT陶瓷的宏观电学性能与微观结构之间的关系。PMN-PH-PT陶瓷内部存在大量细小的纳米量级的条状畴,该条状畴组成微米量级的岛状畴。电畴尺寸越小,畴壁能越低,PMN-PH-PT陶瓷的压电响应越好;电畴翻转所需的电场越大,PMN-PH-PT陶瓷的电滞回线的矫顽场Ec越高。第四部分研究了铁电材料的铁电相变行为。通过升温拉曼光谱不仅确认了不同方法制备的MPB附近的PMN-PH-PT陶瓷在TC处发生的铁电-顺电相变,还发现了其在TC以下发生的可能与极性纳米微区(PNRs)或者与多种铁电相共存有关的连续结构相变,揭示了其具有优异电学性能的原因。铁电单晶的拉曼光谱和电畴随温度的变化进一步佐证了铁电材料的铁电相变行为。通过对PMN-PH-PT陶瓷相结构和电学性能的研究,其优良的介电、铁电和压电性能主要和较小的电畴尺寸以及低对称性的极性纳米微区(PNRs)或室温时的多相共存有关。PMN-PH-PT陶瓷具有相对较高的居里温度TC和优异的电学性能,在高温驱动领域有很大的应用潜力。
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