无铅压电陶瓷的压电、挠电及上转换发光性能研究

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压电陶瓷广泛应用于各种传感器与换能器,但现今压电陶瓷的主力材料仍是含铅量高达60 wt%的Pb(Zr,Ti)O3铅基陶瓷,其从制备到回收过程都会对环境带来巨大污染,因此人们亟需寻找可替代含铅材料的无铅压电陶瓷。(K,Na)NbO3和BaTiO3基陶瓷在无铅压电陶瓷的研究领域具有很高热度,是可能取代Pb(Zr,Ti)O3的陶瓷体系。但未掺杂的(K,Na)NbO3陶瓷压电系数较小,需要通过掺杂改性提高其压电性能。此外,作为一种新兴的力电耦合效应,挠曲电效应拓宽了力电耦合的应用范围,但目前还没有关于(K,Na)NbO3陶瓷挠曲电效应的报道。人们很早就开始对稀土离子的上转换发光现象进行研究,然而稀土掺杂的压电陶瓷其上转换发光性能并不理想。因此,在本论文我们对(K,Na)NbO3基陶瓷的压电、挠曲电性能,以及对BaTiO3基陶瓷上转换发光增强的方法进行研究。(一)通过固相烧结法制备了(1-x)K0.4Na0.58Li0.02Nb0.96Sb0.04O3-xBi0.5Na0.5ZrO3无铅压电陶瓷。Bi0.5Na0.5ZrO3的掺杂使陶瓷的相变温度向室温方向移动,室温下陶瓷的相组成从正交相(O)转变为正交-四方相(O-T)和菱方-四方相(R-T)。处于R-T多晶型相变的组分具有最大压电系数d33=282 pC/N,该组分介电常数为1029,居里温度TC为287 oC。(二)测量了K0.4Na0.58Li0.02Nb0.96Sb0.04O3陶瓷的挠电性能,其挠电系数在1-2μC/m之间,远大于电介质挠电系数的理论本征值。经分析,陶瓷巨大挠电系数源于其铁电性。此外,本文还研究了挠电性能的疲劳效应,在足够长的周期振动挠电测量中,陶瓷的挠电系数下降约30%后趋于平稳。我们用一个拉伸指数函数很好地拟合了挠电系数的疲劳行为,挠电的疲劳现象应是来源于内部氧空位的扩散。(三)掺杂In3+离子大幅提升了Ba0.85Ca0.15TiO3:0.75%Er3+发光陶瓷的上转换发光强度。980 nm激光激发下,掺杂量为1.75%的组分其发光强度相较未掺杂组分最大增强约20倍。通过对紫外-可见-近红外(UV-Vis-NIR)吸收光谱的分析,In3+离子的掺杂改变了发光中心Er3+离子的空间分布,抑制了交叉弛豫(CR),增强了陶瓷的上转换发光效率。
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