點缺陷對鐵性材料相變行為的影響及其相關(guān)現(xiàn)象的研究.pdf

1、鐵性材料是現(xiàn)代社會不可或缺的一類智能材料。它們的功能性很大程度上依賴于它們所發(fā)生的對稱破缺相變。另一方面，鐵性材料幾乎所有重要的物理性能都受點缺陷的影響而發(fā)生改變。因此，研究點缺陷對鐵性材料的相變行為以及對相變附近的物理性能的影響具有重要的意義。點缺陷對鐵性材料具有兩方面重要的影響。一是點缺陷摻雜可以很容易改變相變溫度和相變路徑。二是點缺陷能夠誘發(fā)鐵性材料中的時效行為。依據(jù)前者可以調(diào)整材料的相變行為來開發(fā)高性能材料。依據(jù)后者則需要理解時

2、效的物理機制來以便于抑制它的發(fā)生。因此，本研究從以上兩個角度出發(fā)，研究了點缺陷對兩種重要的鐵性材料（鐵電材料和鐵彈材料）的相變行為及其相關(guān)物理性能的影響。
　　一方面,本文利用等價點缺陷摻雜來調(diào)整BaTiO3陶瓷的鐵電相變行為，并開發(fā)高壓電性能材料。首先，通過Sn4+和Ca2+摻雜，設計了一個三相點型準同型相界體系，Ba(Sn0.12Ti0.88)O3-x(Ba0.7Ca0.3)O3,其壓電系數(shù)d33在室溫可以達到530pC/N。

3、結(jié)果表明其高壓電性能起源于三相點型準同型相界處較低的極化各向異性。其次，采用共振法系統(tǒng)測量了Ba(Zr0.2Ti0.8)O3-50(Ba0.7Ca0.3)TiO3陶瓷樣品所有材料參數(shù)，它是一種具有類似的三相點型準同型相界的高性能無鉛壓電材料，這將為利用這種材料進行器件設計和進行理論研究提供重要依據(jù)。一些壓電常數(shù)和彈性常數(shù)隨溫度的演化規(guī)律表明了在此相界處的彈性軟化對高壓電性能具有較大貢獻。再次，通過選擇合適的成分,將Ba(SnTi)O3-

4、x(BaCa)O3體系中四方到三角的相界和Ba(SnxTi1-x)O3體系中四方到正交的相界都調(diào)整到室溫附近，然后對它們分別在這兩種相界附近的的物理性能進行了詳細的比較。結(jié)果表明，四方到三角的相界對壓電性能的增強作用比四方到正交的相界要強得多。這種顯著差別可以通過考慮這兩種相界不同的極化翻轉(zhuǎn)和極化延伸，不同的彈性軟化，以及不同的來自于疇界的貢獻來理解。
　　另一方面，本文系統(tǒng)研究了在鐵電材料和鐵彈材料中都存在的點缺陷誘發(fā)時效效應。

5、首先，在K+摻雜(Ba,Sr)TiO3單晶材料中發(fā)現(xiàn)了熱相變循環(huán)中點缺陷誘發(fā)的疇記憶和極化狀態(tài)記憶效應。由于這些記憶效應在母相保溫后消失，進而發(fā)現(xiàn)了順電時效行為，并建立了唯象模型和原子級別模型來研究順電時效的物理機制。結(jié)果發(fā)現(xiàn),以上兩種新現(xiàn)象都源于點缺陷和晶體對稱性的相互作用。其次，繼續(xù)研究了點缺陷和晶體對稱性的相互作用對鐵彈材料的動態(tài)力學性能的影響。研究發(fā)現(xiàn)材料的儲能模量隨時效時間上升而內(nèi)耗則隨時效時下降。通過建立對應的朗道模型發(fā)現(xiàn)這

6、種現(xiàn)象可以歸因于點缺陷對馬氏體相的逐漸穩(wěn)定化最后，綜合以上研究，通過引入一個“對稱性適應”內(nèi)應力場，建立了一個統(tǒng)一的金茲伯格-朗道模型來描述和理解鐵彈體系中所有的時效行為和去時效行為。
　　總之，通過結(jié)合實驗手段和金茲伯格-朗道模擬手段，本文系統(tǒng)的研究了鐵電材料和鐵彈材料中的母相時效和生成相時效行為。研究結(jié)果表明這些時效行為都源自于點缺陷和晶體對稱性的相互作用。另一方面，通過控制BaTiO3鐵電材料中的點缺陷（等價摻雜），成功開發(fā)