论文部分内容阅读
压电材料具有机械能与电能之间相互转换的功能，在工业中有着广泛的应用。压电材料在使用中，通常需要与其他材料进行配合使用，因而它与其他材料之间热膨胀性能的相互匹配就非常重要。这是因为两种材料升温过程中，由于它们间的热膨胀不一致引起热应变差异，从而在它们内部分别产生拉或者压应力，导致分层和开裂的现象。压电陶瓷与常用的非铁电陶瓷不同，其内部存在着自发极化，因而其热膨胀性质不仅受到了晶体结构和微观结构的影响，还受到了相变以及电畴取向的影响。因此，研究压电材料的热膨胀性能对压电器件的应用具有重要意义。 本工作以固相反应法制备了La掺杂的PZT压电陶瓷，它为ABO3的钙钛矿结构，其中A位占据钙钛矿结构的顶点，B位占据体心，O占据面心。选取了两组配方，分别为准同型相界区附近的组分:Pb0.97La0.03(Zr1-0.01xTi0.01x)0.993O3[PLZT3/(100-x)/x，43≤x≤49]，束腰型铁电相区域附近的组分Pb1-0.01xLa0.01x(Zr0.7Ti0.3)O3(PLZT x/70/30，5≤x≤8)。系统地研究了这两组配方压电陶瓷的晶体结构、A位和B位离子掺杂、相变过程以及电畴取向对于其热膨胀性能的影响，并分析了热膨胀曲线在相变过程和退极化过程中的变化，最后通过热膨胀曲线计算了退极化对压电样品形状的影响，得到的结果如下: 1.对于PLZT3/(100-x)/x(43≤x≤49)陶瓷，晶体结构显著影响了其热膨胀系数:在准同型相界区该组分压电陶瓷的热膨胀系数达到极大值，偏离准同型相界区后，热膨胀系数下降;La替换A位导致了PLZT陶瓷的热膨胀系数低于PZT陶瓷。在顺电相的La掺杂的PZT压电陶瓷中，由于其晶胞畸变比较小，因而该组分顺电相的热膨胀系数比同组分的铁电相要高。在立方相中，随着B位平均离子半径逐渐增加，其热膨胀系数逐渐升高，但是在x=49出现了下降，该下降可能与弥散型相变有关。 2.热膨胀曲线中的转折点代表了相变过程，转折点的温度与介温曲线中介电常数极大值对应的温度相符合，其热膨胀系数在相变点也出现下降。 3.极化后的PLZT3/(100-x)/x(43≤x≤49)压电陶瓷具有各向异性的特征。分别沿不同方向测量了样品的热膨胀曲线:平行于极化电场、垂直于极化电场。极化后的热膨胀曲线可以分为三个阶段:第一阶段(RT-130℃)，由于极化后的偶极子排列的有序性，两个方向上的热膨胀曲线均略高于未极化的样品;第二阶段，平行于极化电场的热膨胀曲线随温度的上升而下降，垂直于极化电场的热膨胀曲线随温度的上升而上升，该过程被证明是由退极化过程引起的;第三阶段，热膨胀曲线彼此平行，此时认为退极化过程对热膨胀性能的影响消失。基于此研究，计算了在第二阶段过程中偶极子转向角度随温度变化的关系，以及极化后对陶瓷的尺寸变化的影响。 4.对PLZTx/70/30(x=5，6，7，8)的研究结果表明，随着La含量的增加，其弛豫性逐渐增加，导致了铁电相的热膨胀系数逐渐增加。与前一个配方类似，顺电相也具有大于铁电相的热膨胀系数。对其铁电性质的讨论中发现，样品在某一区间表现为束腰型铁电相。对极化后样品的介电常数的测量结果表明，在某一温度内出现由正常到弛豫的转变过程，并据此作出极化后样品的相图。