铌酸钠基无铅反铁电陶瓷的组成调制及其性能研究

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反铁电陶瓷材料具有较大的应变特性使其在位移驱动器、传感器等方面有着广泛的应用。NaNbO3(NN)作为一种重要的反铁电材料,其应变特性也逐渐成为研究热点。然而,目前对于NN基反铁电陶瓷应变特性的研究还存在许多问题,如已有的研究主要针对纯NN相变,对于以NN为基的反铁电陶瓷材料及其应变特性的研究相对较少,获得的应变值都较小并且NN基反铁电材料的应变机理还不够明确。本文以NN为基体,通过合理的组成设计,系统地研究了组成-结构-机电性能之间的关系。同时,利用多种分析测试方法对NN体系应变演变行为及应变增强机制做出进一步研究。本论文的主要研究工作如下:(1)以NN为基体,用BZ取代NN。结果表明BZ取代NN稳定了NN的铁电性,其室温相结构随BZ含量的增加由反铁电正交相转变为铁电正交相,然后转变为铁电三方相。尽管不同BZ含量的组成初始相结构不同,在这些组成中均发现了电场诱导的不可逆相变。尤其是0.02≤x≤0.05范围内,在较高电场作用下发生了不可逆的反铁电正交相-铁电单斜相转变,并伴随着0.43%0.58%的大应变。相对而言,这比在铁电正交相区(0.06≤x≤0.07)和三方相区(0.08≤x≤0.11)发生不可逆铁电-铁电单斜相变引起的应变大的多。同步辐射X射线衍射和原位纵向和横向应变的测试结果表明,电场诱导的不可逆相变不仅包含明显的体积膨胀,而且还包含沿电场方向明显的晶格伸长。相比之下,在铁电正交和三方相区,体积膨胀对应变的贡献似乎可以忽略不计。本研究结果表明在该NN-BZ体系中大极化应变的来源主要是电场诱发的不可逆相变。(2)以NN-BZ二元体系为基体,采用适量的CaZrO3(CZ)取代NN,构建新的NN-BZ-CZ三元体系。结果表明,随着CZ含量的增加,基体中的铁电正交相逐渐向反铁电正交相转变。与NN-BZ体系类似,在0≤x(27)0.01时,电场作用下反铁电正交相和铁电正交相均不可逆的转变为铁电相。重要的是,在高CZ含量时(x≥0.01)会发生反铁电相-铁电相可逆相变并且在x=0.03时获得0.35%的可逆应变。应变测试结果表明,体积应变在0≤x(27)0.01几乎不变,在x≥0.01随CZ含量的增多逐渐增大。同步辐射X射线衍射结果表明,在0≤x(27)0.01时组成范围内,不管是铁电正交相还是反铁电正交相,在电场作用下均不可逆的转变为铁电单斜相;而在x≥0.01是,在第一电场周期中发生了反铁电正交-铁电单斜相变,而在电场去除后,发生了铁电单斜相-反铁电单斜相转变。此外,伴随相变的发生,不论在铁电还是反铁电相区均发生电畴沿电场方向不可逆的择优取向。该研究结果表明,该体系大的可逆应变与相变及反铁电畴的可逆程度密切相关,为设计新的无铅反铁电陶瓷驱动器提供一种新的思路。(3)在0.92NN-0.06BZ-0.02CZ反铁电陶瓷中掺杂适量CeO2,系统地研究了CeO2掺杂对0.92NN-0.06BZ-0.02CZ反铁电陶瓷应变行为的影响,显著提高了该材料可逆大应变:x=0.005时,应变量为0.28%(20 kV/mm)。同时,在x=0.005极化处理后的样品中获得了几乎无剩余应变的应变曲线。通过淬火和极化处理后应变曲线对比研究发现,该体系大应变的产生与缺陷对电畴的钉扎作用有关。该研究结果表明,在0.92NN-0.06BZ-0.02CZ反铁电陶瓷中,可以通过引入缺陷来调节其应变行为。这一研究为在反铁电陶瓷应变特性的改善工作中提供一种崭新的思路。
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