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准同型相界对于制备高性能的压电材料至关重要。组分位于准同型相界处的PZN基铁电单晶表现出了超高的压电性能(d33>2500pC/N,k33>94%)。而由于其热力学不稳定性,位于准同型相界处的PZN基压电陶瓷材料至今未能获得。本研究选取了PZN与PLZT(La掺杂PZT)两者的复合体系作为研究对象,深入研究了该体系在其准同型相界附近的各种性能。PZN-PLZT是典型的弛豫铁电体系,但其弛豫特性与相变行为还没有系统地研究过,尤其是准同型相界处的组分。本研究对该体系的介电弛豫特征与相变机制进行了深入的探讨。
通过选取适当的Zr/Ti比,采用常压与热压烧结工艺制备了具有纯的钙钛矿结构的PZN-PLZT系列陶瓷。从XRD图谱可以发现,热压样品组分正好横跨体系的准同型相界,即随Zr/Ti比增加,样品从四方相结构转变为三方相结构。与样品的结构转变相对应,样品在Zr/Ti=51/49的组分处出现了最优的压电性能:d33=845pC/N,kp=0.7。该压电性能远远高于报道的相似的PZN基陶瓷的性能,在所有的压电陶瓷体系中也是少见的。
通过适当的MnO2掺杂改善了样品的机械品质因子,同时减小了样品的介电损耗。通过热激励电流测试,证实了MnO2掺杂的样品中存在缺陷偶极子,推测其成因是氧空位与低价锰离子之间形成的弱束缚缺陷对。实验数据还给出了样品内部的氧空位迁移开始温度,大约在107℃左右。这一结果为氧空位在低温下迁移提供了强有力的证据。
通过测量样品极化与去极化状态的介电温谱,观察到样品中存在介电异常与自发弛豫—正常铁电相变。根据介电温谱中与这些异常和相变对应的温度,绘制了PZN-PLZT体系在准同型相界处的极化与去极化状态的相图。这为将来研究该体系以及类似的复合体系的各种物理性能及现象提供了重要的参考依据。
在前面所得结果上,对样品的自发弛豫一正常铁电相变进行了更进一步的研究。发现了具有自发弛豫—正常铁电相变的复合钙钛矿铁电体系的一些共同特征,并对这些特征进行了总结。通过与预马氏体相变过程进行类比,提出了自发弛豫—正常铁电相变模型解释了该相变发生的机制以及相伴的各种现象,比如低温下介电频散的再次出现。同时,通过图示的方法对相变过程进行了详细的描述。
最后,借助于压电响应力显微镜(PFM),对PZN-PLZT样品中的铁电畴结构进行了表征。在常压烧结的PZN-PLZT样品中观察到“指纹状”畴花样,并认为这种畴结构与样品的微观结构及组分有关。此外,在热压的与MnO2掺杂PZN-PLZT中观察到不同的畴结构与晶粒之间的对应关系,可能过MnO2掺杂引起的畴钉扎有关。