两种铁电材料的超微粉及细晶陶瓷的制备与性能研究

论文摘要

随着信息时代的到来,现代社会的发展需要越来越多品种各异和性能独特的功能材料。铁电体材料作为一类重要的功能材料,以其优异的介电压电性能、热释电性能和光学性能等得到广泛的关注和研究。掺镧的锆钛酸铅[（Pb,La）（Zr,Ti）O3,PLZT]和钽铌酸钾（KTN）是重要的铁电陶瓷材料。PLZT不仅具有优越的透光性和电光性,而且具有良好的压电和介电特性,是制备电容器、压电传感器、光转换、光存储和微驱动器等的良好材料。KTN材料具有良好非线性光学效应、热释电效应,在计算机显示、激光全息存储以及光电子等领域展示着良好的应用前景。为了达到实用化的要求,低制备条件和高性能获得仍然是一个具有挑战性的课题。因此,探索和研究纳米尺度铁电材料及所具有的性能,丰富和发展相关制备方法,对于基础研究和开拓新材料应用领域有着重要意义。本文在系统总结和全面分析PLZT、KTN铁电材料研究现状的基础上,对两种铁电材料的设计、超微粉合成和细晶粒陶瓷的制备,以及所获得新材料的铁电压电性能、光学性能等进行了有益的探索。论文主要研究内容如下:1.系统研究了采用原材料为无机盐和有机盐的溶胶-凝胶法（sol-gel）制备出单颗粒尺寸≤50nm、团聚体尺寸≤100nm的PLZT超微粉,这不仅解决了进口原材料问题,也简化了制备工艺,使合成在分子级别上进行,利于制备高质量铁电粉体,利于产业化。探讨了PLZT前躯体溶液的水解、聚合反应机理,并且就合成温度和保温时间对PLZT纳米粉的物相形成、粉体形貌的影响进行了研究。2.以sol-gel方法合成的钙钛矿型PLZT超微粉为原料制备出晶粒尺寸≤500nm亚微米细晶粒陶瓷,比普通固相法烧结的陶瓷粒径（1.56μm）小得多。对制备出的陶瓷试样进行结构、形貌和介电压电性能测试分析,找出最佳制备细晶粒陶瓷的工艺参数:PLZT超微粉合成条件为600℃×1.5h,烧结条件为1150℃×1.5h,得到PLZT陶瓷的介电、压电性能俱佳,陶瓷的压电参数d33=595,室温介电常数εr=5108,介电损耗tgδ=0.02347.陶瓷烧结温度也低于普通固相法烧结成瓷温度（1230-1300℃）.3.在PLZT超微粉中掺杂钛酸锶钡（BST）纳米粉,制备PLZT改性陶瓷,其介电、压电性能较佳,BST掺杂量为1mol%时陶瓷的性能最好,压电参数d33=508,室温介电常数εr=8315,介电损耗tgδ=0.035.研究发现掺BST后,PLZT材料的电滞回线变窄,矫顽场变小,自发极化和剩余极化减小。4.以超微粉制备的PLZT陶瓷最高介电常数达15404,对应的相变温度为212℃,这与普通固相烧结的情况接近。在PLZT超微粉中掺杂Mg2+所制得陶瓷介电温谱曲线较未掺杂时向高温方向移动,PLZT相变温度提高;当掺杂K+时,ε最大值对应的温度为150℃,Tc显著变小,而室温介电常数与未掺杂时相差不大。这对PLZT材料在器件方面的应用非常有意义。5.从理论角度进一步研究颗粒尺寸大小对PLZT的介电性能的影响,确立介电常数εr与四方度c/a的基本关系式。6.对KTN水热合成工艺作了系统研究,首次对KTN的微电子结构以及光吸收性能和光发射性能进行了表征,讨论工艺条件对KTN陶瓷相结构以及光吸收性能和光发射性能的影响。随KOH的浓度或反应温度的增高,KTN粉体的晶相结构由立方相向铁电四方相转变,并且晶格参数c/a比值增大,四方度增强。获得铁电压电系数高的四方相KTN粉的较佳工艺条件是KOH的浓度为16M、反应温度240℃、反应时间24小时。KOH的浓度大小决定了KTN材料的禁带宽度的大小。随KOH的浓度增加,禁带宽度增大,最大吸收波长向短波方向移动,发生蓝移现象,影响其光响应范围。7.利用KTN中的B位高价离子置换,制备了W6+掺杂改性的KTN陶瓷样品。研究了W6+掺杂对KTN材料结构和电性能的影响。实验结果表明,W6+掺杂量为6mol%时,KTN的电导率较纯KTN下降了一半;在200V时,W6+掺杂量为8mol%的漏电流为8.71×10-4A,纯KTN漏电流为5.14×10-3A,使漏电流减小了5倍。通过掺杂的方式,成功的降低了KTN陶瓷的漏电流,有利于提高陶瓷的铁电压电性能。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 1 绪论
• 1.1 功能材料的特点及研究进展
• 1.2 铁电材料的研究与发展
• 1.3 PLZT铁电材料的研究
• 1.4 KTN铁电材料的研究
• 1.5 超细粉体的制备技术
• 1.6 铁电材料的改性
• 1.7 本文研究的主要目的和内容
• 2 PLZT纳米粉体的制备与表征
• 2.1 引言
• 2.2 PLZT纳米粉体的制备
• 2.3 PLZT纳米粉体的结构与表征
• 2.4 本章小结
• 3 PLZT亚微米级陶瓷的制备及性能研究
• 3.1 陶瓷样品制备
• 3.2 样品的表征与结构分析
• 3.3 PLZT亚微米级陶瓷的压电性能
• 3.4 PLZT亚微米级陶瓷的介电性能
• 3.5 改性PLZT亚微米级陶瓷的性能研究
• 3.6 本章小结
• 4 四方相PZT介电常数与四方度c/a关系的研究
• 4.1 引言
• r的方程建立'>4.2 四方度c/a与介电常数ε_r的方程建立
• 4.3 若干物理参数的确定
• 4.4 四方度c/a与组份的依赖关系
• 4.5 理论的基本关系式的结果与相关实验数据的比较
• 4.6 本章小结
• 5 KTN纳米粉体制备的工艺条件研究和性能表征
• 5.1 引言
• 5.2 KTN粉末制备
• 5.3 KTN粉末合成工艺条件研究
• 5.4 KTN粉体结构表征
• 5.5 KTN粉末的光吸收性能
• 5.6 KTN粉体的光发射性能
• 5.7 本章小结
• 6 改性四方相KTN陶瓷的电性能研究
• 6.1 引言
• 6.2 KTN陶瓷的制备
• 6+掺杂KTN陶瓷的晶体结构分析'>6.3 W⁶⁺掺杂KTN陶瓷的晶体结构分析
• 6+掺杂KTN陶瓷的电性能研究'>6.4 W⁶⁺掺杂KTN陶瓷的电性能研究
• 6.5 本章小结
• 7 总结与展望
• 7.1 本文主要成果及创新
• 7.2 今后工作展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录1 攻读博士学位期间发表和待发表的论文目录