透明铁电陶瓷的新制备工艺及性能研究

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PLZT透明陶瓷作为一种经典的铁电材料因其优异的电光效应而在现代光通信及国防激光技术领域都占有一席之位。经过多年的发展,PLZT透明陶瓷的制备技术不断完善,材料应用领域亦日趋扩大。尽管如此,当前PLZT透明陶瓷的主要烧制方法依然为传统的通氧热压烧结(轴向施压),该工艺不仅需要大量过量氧化铅作为助烧结剂,而且通常只能单炉制备,烧结时间长、过量氧化铅挥发对环境污染严重,材料光学品质稳定性差,特别是该传统烧结工艺对于新型电光陶瓷(如PLMNT)难以制备,因此亟待开展电光陶瓷的新工艺研究。本工作首先选取目前已商用的电光陶瓷组份PLZT(10/65/35)为研究对象,进行透明电光陶瓷的无压气氛烧结研究,旨在通过此种制备工艺来降低PLZT透明电光陶瓷在生产过程中的能源消耗,提高生产效率,实现批量化制备。研究发现,利用本文所设计的无压气氛烧结工艺制备出的样品性能与传统热压烧结工艺制备出的样品性能相当,并且在可见光到近红外波段表现出高透过率(≥67.7%,1064nm;0.35 mm厚)。同时,本工作探索了透明电光陶瓷新的真空/氧气氛热压烧结工艺研究。选择经典光散射陶瓷PLZT(7.4/70/30)为材料基本组成,分别添加不同量的过量Pb O(粉体总质量的2 wt%,4 wt%,6 wt%和8 wt%)为助烧结剂进行陶瓷材料制备,系统考察了不同过量Pb O对陶瓷样品光学品质、铁电介电性能和电光性能的影响。结果表明,仅使用2 wt%的过量Pb O即可使PLZT透明电光陶瓷在可见光到近红外波段均呈现出超高透过率(≥69.4%,1064 nm;1 mm厚),与传统制备工艺(助烧结剂:8?10 wt%过量氧化铅)相比,过量氧化铅的应用量大幅降低,而陶瓷样品的铁电、电光性能基本保持不变。确定了新的PLZT电光陶瓷真空/氧气氛热压烧结新工艺,不仅可以提升材料的光学品质,而且可使制备中过量Pb O助烧结剂用量大大减少,将有利于绿色环保。此外,针对新型PLMNT电光陶瓷在烧结过程中坯体易开裂且气孔难消除、光学品质差等问题,采用新的真空/氧气氛热压烧结工艺进行材料制备,并尝试通过Ba2+离子掺杂来改善PLMNT透明电光陶瓷的铁电和电光特性。采用真空/氧气氛热压烧结工艺成功制备出了Ba2+掺杂的PLMNT透明电光陶瓷,该系列陶瓷具有良好的透明性且二次电光系数最高可达61.38×10-16(m/V)2。研究表明,随掺杂量的增加,PLMNT的铁电滞后被显著降低,降低值最高为未掺杂样品的90%。
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