BaO-TiO-,2--SiO-,2-系極性玻璃陶瓷及其薄膜研究.pdf

1、傳統(tǒng)的玻璃晶化過程中，晶核劑或其它一些作用，如分相、旋節(jié)分解等，對(duì)玻璃的晶化過程起著主導(dǎo)地位，由此所獲得的產(chǎn)物-玻璃陶瓷的晶粒在宏觀上呈現(xiàn)無序分布的狀態(tài)。但是，材料科學(xué)的發(fā)展表明，具有晶粒定向排列結(jié)構(gòu)的材料，在力學(xué)、電學(xué)和光學(xué)性能等方面表現(xiàn)出比傳統(tǒng)陶瓷材料更為優(yōu)異的性能。Ramesh和Schlom在2002年6月《Science》上就鐵電體等一些功能材料的發(fā)展和前景指出，要取得最佳的材料性能，不僅僅需要晶體的晶粒定向生長，而且必須要求晶

2、粒按一定的方式定向生長。目前，控制晶粒定向生長，使之按人們對(duì)材料性能的要求在特定的方向?qū)崿F(xiàn)晶粒定向結(jié)構(gòu)，已成為當(dāng)前材料科學(xué)中的一個(gè)重要研究課題，也是材料設(shè)計(jì)的一個(gè)有力手段。 鋇鈦硅石(Ba2TiSi2O8)屬于四方晶系，空間群為C24V-P4bm，c軸為晶體的極軸，軸比a/c為1：0.611。該晶體結(jié)構(gòu)中，Si離子以[Si2O7]雙四面體形式存在；Ti4+的配位數(shù)為5，位于四方錐[TiO5]的中心；[Si2O7]和[TiO5]以

3、頂點(diǎn)相連的方式構(gòu)成層狀結(jié)構(gòu)；Ba2+的配位數(shù)為10，位于層間。鋇鈦硅石由于具有特殊的5配位[TiO5]氧多面體和層狀結(jié)構(gòu)，引起人們極大的注意。它具有特殊的壓電特性：較高的壓電系數(shù)d33和d31都是正值，因此其壓電優(yōu)值因子較高，作為高靈敏度的換能接收器，有較高的應(yīng)用價(jià)值；穩(wěn)定的壓電和介電特性，在875K以下的溫度范圍內(nèi)，其介電、壓電和機(jī)電性能基本保持不變。在聲表面波方面，較高的耦合系數(shù)，低的延遲溫度系數(shù)，器件上的應(yīng)用前景，受到人們的特別關(guān)

4、注。Ba2TiSi2O8晶體曾引起了人們的熱情關(guān)注，而由這種極性晶體的微晶與殘余玻璃相以(1-3)相復(fù)合構(gòu)成的極性定向玻璃陶瓷也得到了研究者的重視。著名的鐵電物理學(xué)家、美國PennsylvaniaStateUniversity資深教授Cross在Appl.Phys.Lett.上評(píng)論極性玻璃陶瓷的出現(xiàn)，是“為壓電材料家族添加了新的成員，提供了一種新的制備方法”。 本論文工作以Ba2TiSi2O8為研究對(duì)象，通過特殊恒溫場(chǎng)晶粒定向生

5、長工藝，制備了具有晶粒定向結(jié)構(gòu)的Ba2TiSi2O8極性玻璃陶瓷，研究了添加氧化物對(duì)玻璃陶瓷的微觀結(jié)構(gòu)、形貌及壓電性能的影響。同時(shí)采用濺射和溶膠凝膠方法，研究了制備工藝條件對(duì)薄膜微觀結(jié)構(gòu)和晶粒定向程度的影響，為開展壓電薄膜器件方面的研究奠定了一定的基礎(chǔ)。 本文主要的研究工作進(jìn)展如下：1.根據(jù)玻璃形成能力和玻璃陶瓷壓電性能的要求，分析了玻璃網(wǎng)絡(luò)形成體氧化物對(duì)玻璃形成能力、主晶相和壓電性能等的影響，確定了合理的基礎(chǔ)玻璃組成，并討論了

6、添加氧化物對(duì)極性玻璃陶瓷的微觀結(jié)構(gòu)和壓電性能的影響。 2.針對(duì)恒溫場(chǎng)晶粒定向生長工藝，從玻璃晶化理論上分析了影響玻璃定向生長的主要因素，討論了成核溫度對(duì)晶粒定向結(jié)構(gòu)的影響，確定了合理的玻璃成核溫度；玻璃陶瓷性能研究的結(jié)果表明，適宜的成核溫度，是獲得良好的晶粒定向程度和高的壓電性能的玻璃陶瓷的必要條件。 3.通過差熱分析，利用Johnson-Mehl-Avrami方程，得到該玻璃體系的析晶活化能為238kJ/mol，Avr

7、ami指數(shù)接近于3。這一結(jié)果表明，該體系玻璃的晶化過程是一個(gè)晶核數(shù)目固定的界面控制過程。因此，控制表面晶化過程，是恒溫場(chǎng)晶粒定向生長過程的主要關(guān)鍵。 4.通過建立極性微晶的偶極子模型，提出了恒溫場(chǎng)晶粒定向生長過程的內(nèi)生靜電場(chǎng)誘導(dǎo)生長機(jī)制。依據(jù)所提出的微晶偶極子模型，計(jì)算了微晶前沿內(nèi)生靜電場(chǎng)分布和晶體生長活化能的變化規(guī)律。該機(jī)制較好地解決了傳統(tǒng)的梯溫場(chǎng)晶粒定向生長理論在解釋恒溫場(chǎng)工藝晶粒定向生長過程上的難點(diǎn)，并可以定性地解釋極性玻

8、璃陶瓷中針狀晶粒的形成原因。 5.采用磁控濺射技術(shù)制備了Ba2TiSi2O8薄膜。系統(tǒng)地研究了濺射條件對(duì)薄膜濺射速率的影響，分析了濺射氣壓對(duì)薄膜組成、微觀結(jié)構(gòu)和定向程度的影響，獲得了具有一定的定向程度的Ba2TiSi2O8薄膜。 6.采用溶膠-凝膠薄膜技術(shù)在較低的(750℃)溫度下獲得了晶態(tài)Ba2TiSi2O8薄膜。研究了熱處理溫度制度對(duì)薄膜結(jié)晶結(jié)構(gòu)和定向程度等的影響，并通過對(duì)薄膜形成過程的調(diào)整獲得了具有較好定向程度的B