堿金屬鉭鈮酸鹽無鉛材料的壓電和色散特性研究.pdf

1、近年來,壓電陶瓷和薄膜作為重要的功能材料發(fā)展極為迅速,已廣泛應(yīng)用于信號(hào)處理、軍事通信、無損檢測(cè)、超聲和微波聲學(xué)等諸多領(lǐng)域。隨著科技的進(jìn)步和電子元器件的發(fā)展,各領(lǐng)域?qū)δ懿牧系男螒B(tài)、性能和易于集成化程度都提出了更高的要求。雖然,傳統(tǒng)的鉛基材料具有優(yōu)異的性能,但鉛是易揮發(fā)的有毒元素,為了人類的健康和可持續(xù)發(fā)展,開發(fā)性能優(yōu)良、環(huán)境友好的無鉛材料已經(jīng)成為當(dāng)今壓電功能材料研究領(lǐng)域的主旋律。目前,以(Li, Na, K)(Ta, Nb)O3為代表的

2、堿金屬鉭鈮酸鹽材料,以其優(yōu)異的壓電、鐵電、熱釋電及光學(xué)性能,被認(rèn)為是最有希望取代鉛基材料走向?qū)嵱没臒o鉛材料體系。因此,針對(duì)實(shí)用化進(jìn)程中亟待解決的問題,系統(tǒng)研究堿金屬鉭鈮酸鹽陶瓷的摻雜助燒、改進(jìn)多形相變附近溫度穩(wěn)定性、探討性能變化的物理化學(xué)機(jī)制、摸索利于集成化的薄膜材料的制備及性能,有著一定的科學(xué)意義和實(shí)用價(jià)值。
　　本論文,首先以傳統(tǒng)固相反應(yīng)法制備了Fe2O3摻雜的K0.5Na0.5 Ta0.05Nb0.95O3(KNTN)無鉛

3、壓電陶瓷。利用X射線衍射研究了陶瓷的結(jié)構(gòu),計(jì)算了陶瓷的晶格參數(shù),分析了 KNTN陶瓷的晶格參數(shù)隨摻雜濃度變化的規(guī)律,探討了 Fe3+在KNTN晶格中的占位機(jī)制。采用掃描電子顯微鏡考察了陶瓷的微觀結(jié)構(gòu),研究了Fe2O3摻雜對(duì)KNTN陶瓷晶粒大小、晶粒間結(jié)合力、微孔、致密度等燒結(jié)性能的影響。研究了陶瓷的介電和壓電性能,分析了其變化規(guī)律,并探討了適量摻雜濃度下性能提高的物理化學(xué)機(jī)制。
　　研究了(Na0.52K0.48-x) LixTa

4、0.2Nb0.8O3(KNLTN)陶瓷在室溫附近的多型相變(PPT)行為及性能。利用XRD測(cè)試、計(jì)算了陶瓷的晶格參數(shù),并結(jié)合介溫譜分析了KNLTN陶瓷的居里溫度和正交-四方轉(zhuǎn)變溫度的變化規(guī)律。調(diào)節(jié)Li元素的比例,把KNLTN陶瓷的正交-四方相轉(zhuǎn)變調(diào)節(jié)到了室溫附近,通過晶格參數(shù)的變化規(guī)律,確定了陶瓷PPT區(qū)間落在室溫的化學(xué)組分。研究了PPT附近的燒結(jié)、介電、壓電性能及其變化規(guī)律,分析了四方-正交相共存對(duì)陶瓷性能的影響。
　　利用La

5、摻雜對(duì)KNLTN陶瓷的PPT相變進(jìn)行調(diào)控,對(duì)陶瓷性能的溫度穩(wěn)定性進(jìn)行了改善。研究了 KNLTN陶瓷的結(jié)構(gòu)、微觀形貌和性能的變化規(guī)律,利用施主摻雜理論解釋了適量La摻雜改進(jìn)陶瓷壓電性能的原因。采用介溫譜、機(jī)電耦合系數(shù)以及陶瓷諧振頻率的溫度變化率,研究了陶瓷-50～80℃實(shí)用范圍內(nèi)的溫度穩(wěn)定性。結(jié)合 PPT相變區(qū)間展寬,變化梯度減緩等行為,討論了Lax-KNLTN陶瓷溫度穩(wěn)定性改善的彌散相變機(jī)制,通過計(jì)算擬合,定量地給出了不同摻雜濃度時(shí)彌散

6、相變程度的參數(shù)。
　　通過改善工藝制備了具有一定透明度的KNLTN-La0.01陶瓷,測(cè)試了陶瓷532 nm和632.8 nm的可見光透過率,利用橢偏儀研究陶瓷的色散性能,并通過XRD和SEM分析了陶瓷的性能特點(diǎn)。以KTN富鉀陶瓷為靶材,采用脈沖激光沉積法(PLD)分別在Si(001)和Pt(111)/Ti/SiO2/Si襯底上成功制備了純鈣鈦礦相、無裂紋的KTa0.5Nb0.5O3(KTN50)陶瓷膜。利用XRD、SEM、SPM