LiTaO3电畴结构及其对Al2O3/LiTaO3复合陶瓷性能的影响

论文摘要

本文采用氮气保护热压烧结制备出了纯LiTaO3压电陶瓷和Al2O3/LiTaO3（简称ALT）复合陶瓷,对LiTaO3晶粒内的电畴结构进行了观察,深入探讨了LiTaO3种类、第二相Al2O3含量和两相晶粒尺寸对该LiTaO3晶粒的电畴结构、类型和数量的影响,提出并验证了该系复合陶瓷中非180o电畴形成机理并给出了电畴结构的原子模型;同时系统研究了电畴结构特征、Al2O3含量及脱碳与极化处理等对复合陶瓷的显微组织、力学性能和电学性能的影响规律。TEM观察确认LiTaO3单晶中只存在一种电畴结构—180o电畴,而ALT系列复合陶瓷中都同时存在着180o电畴和非180o电畴两种结构类型,且随第二相Al2O3颗粒含量的增多,ALT材料中非180o电畴结构增多,180o电畴逐渐减少。LiTaO3晶粒内的电畴结构与原始粉末的晶粒尺寸无关。周围Al2O3颗粒的强烈约束及材料制备冷却过程中产生的应力作用是使得ALT复合陶瓷中出现LiTaO3单晶中不可能形成的非180o电畴结构的原因。LiTaO3的晶体结构决定其不能通过滑移的方式进行变形,因此产生了类似于孪生结构的非对称性电畴结构。这种非180o电畴结构属于孪晶面为{1012}的孪晶结构,根据孪晶结构的原子模型,确认这种非180o电畴为67o电畴结构。1300oC/25MPa热压烧结制备的纯LiTaO3陶瓷的烧结致密度很低,只有91.5%,热压压力增至35MPa,陶瓷材料的致密度显著提高,达到了97%。1300oC氮气保护热压烧结制备的ALT复合陶瓷（Al2O3体积百分含量分别为:5、10、15和20）致密度均在99.5%以上。ALT复合陶瓷Al2O3/LiTaO3界面结合很好,1300oC氮气保护热压烧结ALT复合陶瓷的TEM形貌像可以看出, Al2O3在基体中均匀地分布,并处于LiTaO3基体的晶界上,两相的晶界上有少量的晶间相Ta2O5存在。ALT复合陶瓷力学性能显著改善,抗弯强度、断裂韧性、弹性模量、维氏硬度均随Al2O3含量的增加而增大,且变化趋势几乎完全一致,即少量Al2O3对LiTaO3即可起到非常显著的强韧化效果,如5ALT复合陶瓷的抗弯强度和断裂韧性分别为纯LiTaO3陶瓷的4.5和6.0倍。LiTaO3晶粒内部电畴结构表现为台阶式形貌特征。基体LiTaO3晶粒为穿晶断裂,裂纹遇到Al2O3晶粒呈现沿Al2O3/LiTaO3界面开裂特征。ALT复合陶瓷的致密度和脱碳处理对材料的介电性能有较大的影响。在不同的频率下（40Hz～106Hz）,随着Al2O3含量的增加材料的介电常数和介电损耗都增加,但是少量Al2O3（5vol%）既提高了材料的介电常数同时又降低其介电损耗。ALT复合陶瓷的居里温度随Al2O3含量（<20vol%）提高先升高然后逐渐降低。ALT复合陶瓷随频率的升高介电常数的温谱曲线呈现介电弥散现象。在200oC、电场强度6000V/mm下极化处理5min后,纯LiTaO3压电陶瓷和ALT复合陶瓷的d33值都约为2×10-12C/N。极化温度和场强对材料极化处理效果影响很大,在220oC、电场7000V/mm下极化处理5min后,ALT复合陶瓷的压电常数d33值为5×10-12C/N,已经达到LiTaO3单晶的50%左右。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 压电陶瓷复合材料的研究概况
• 1.3 压电陶瓷的显微结构特征
• 1.3.1 电畴结构
• 1.3.2 电畴结构的观察
• 1.3.3 电畴翻转
• 1.3.4 压电陶瓷的极化
• 3及LiTaO₃ 基陶瓷复合材料的研究概况'>1.4 LiTaO₃及LiTaO₃基陶瓷复合材料的研究概况
• 3 的晶体结构'>1.4.1 LiTaO₃的晶体结构
• 3 的自发极化与电畴'>1.4.2 LiTaO₃的自发极化与电畴
• 3 基陶瓷复合材料的研究概况'>1.4.3 LiTaO₃基陶瓷复合材料的研究概况
• 1.5 本文研究目的、意义及主要研究内容
• 1.5.1 研究目的和意义
• 1.5.2 研究主要内容
• 第2章 试验材料与研究方法
• 2.1 试验用原材料
• 2.1.1 粉末形貌特征
• 2.1.2 基体陶瓷粉末
• 2.1.3 原始粉末及基本物理性能
• 2.2 材料制备方法
• 2.2.1 粉末的球磨湿混
• 2.2.2 热压烧结
• 2.3 材料的基本性能测试
• 2.3.1 相对密度的测定
• 2.3.2 抗弯强度和弹性模量的测定
• 2.3.3 断裂韧性的测定
• 2.3.4 维氏硬度的测定
• 2.3.5 介电常数的测定
• 2.3.6 介电损耗的测定
• 2.3.7 压电常数的测定
• 2.4 材料的组织结构分析
• 2.4.1 XRD 物相分析
• 2.4.2 电子探针（EPMA）分析
• 2.4.3 扫描电镜（SEM）观察
• 2.4.4 透射电镜（TEM）观察
• 2.4.5 高分辨（HREM）观察
• 3及Al₂O₃/LiTaO₃复合陶瓷的组织结构与力学性能'>第3章 LiTaO₃及Al₂O₃/LiTaO₃复合陶瓷的组织结构与力学性能
• 3.1 热压压力对纯LiTaO3 压电陶瓷组织与力学性能的影响
• 2O₃/LiTaO₃ 复合陶瓷的结构与力学性能'>3.2 Al₂O₃/LiTaO₃复合陶瓷的结构与力学性能
• 3.2.1 XRD 物相分析
• 3.2.2 显微组织结构分析
• 3.2.3 界面结构与烧结机理
• 3.2.4 致密度与力学性能
• 3.3 本章小结
• 2O₃/LiTaO₃复合陶瓷中电畴结构及形成机理'>第4章 Al₂O₃/LiTaO₃复合陶瓷中电畴结构及形成机理
• 3 单晶中的电畴形貌与结构'>4.1 LiTaO₃单晶中的电畴形貌与结构
• 3 单晶电畴'>4.1.1 Z 切片LiTaO₃单晶电畴
• 3 单晶电畴'>4.1.2 X 切片LiTaO₃单晶电畴
• 3 单晶电畴'>4.1.3 42°Y 切片LiTaO₃单晶电畴
• 2O₃ 的引入对ALT 复合陶瓷中电畴结构的影响'>4.2 Al₂O₃ 的引入对ALT 复合陶瓷中电畴结构的影响
• 3 陶瓷电畴结构'>4.2.1 纯LiTaO₃陶瓷电畴结构
• 4.2.2 5ALT 陶瓷复合材料电畴结构
• 4.2.3 15ALT 陶瓷复合材料电畴结构
• 3 晶粒尺寸的ALT 陶瓷复合材料电畴结构'>4.3 不同LiTaO₃ 晶粒尺寸的ALT 陶瓷复合材料电畴结构
• 3 晶粒尺寸中的电畴结构'>4.3.1 不同LiTaO₃晶粒尺寸中的电畴结构
• 2O₃ 晶粒尺寸中的电畴结构'>4.3.2 不同Al₂O₃晶粒尺寸中的电畴结构
• 2O₃/LiTaO₃ 复合陶瓷中电畴形成机理'>4.4 Al₂O₃/LiTaO₃复合陶瓷中电畴形成机理
• 4.4.1 ALT 陶瓷复合材料中180°电畴形成机理
• 4.4.2 ALT 陶瓷复合材料中非 180°电畴形成机理
• 4.5 本章小结
• 2O₃/LiTaO₃陶瓷复合材料的电性能'>第5章 Al₂O₃/LiTaO₃陶瓷复合材料的电性能
• 5.1 ALT 陶瓷复合材料的介电性能
• 5.1.1 介电性能随频率的变化
• 5.1.2 介电性能随温度的变化
• 5.2 压电性能
• 5.2.1 极化处理
• 5.2.2 压电常数的测定
• 5.3 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读博士学位期间发表的论文
• 致谢
• 个人简历