兩種鐵電材料的超微粉及細晶陶瓷的制備與性能研究.pdf

1、隨著信息時代的到來，現(xiàn)代社會的發(fā)展需要越來越多品種各異和性能獨特的功能材料。鐵電體材料作為一類重要的功能材料，以其優(yōu)異的介電壓電性能、熱釋電性能和光學(xué)性能等得到廣泛的關(guān)注和研究。摻鑭的鋯鈦酸鉛[(Pb,La)(Zr,Ti)O3，PLZT]和鉭鈮酸鉀(KTN)是重要的鐵電陶瓷材料。PLZT不僅具有優(yōu)越的透光性和電光性，而且具有良好的壓電和介電特性，是制備電容器、壓電傳感器、光轉(zhuǎn)換、光存儲和微驅(qū)動器等的良好材料。KTN材料具有良好非線性光學(xué)

2、效應(yīng)、熱釋電效應(yīng)，在計算機顯示、激光全息存儲以及光電子等領(lǐng)域展示著良好的應(yīng)用前景。為了達到實用化的要求，低制備條件和高性能獲得仍然是一個具有挑戰(zhàn)性的課題。因此，探索和研究納米尺度鐵電材料及所具有的性能，豐富和發(fā)展相關(guān)制備方法，對于基礎(chǔ)研究和開拓新材料應(yīng)用領(lǐng)域有著重要意義。
　　 本文在系統(tǒng)總結(jié)和全面分析PLZT、KTN鐵電材料研究現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，對兩種鐵電材料的設(shè)計、超微粉合成和細晶粒陶瓷的制備，以及所獲得新材料的鐵電壓電性能、光

3、學(xué)性能等進行了有益的探索。論文主要研究內(nèi)容如下：
　　 1.系統(tǒng)研究了采用原材料為無機鹽和有機鹽的溶膠-凝膠法(sol-gel)制備出單顆粒尺寸≤50nm、團聚體尺寸≤100nm的PLZT超微粉，這不僅解決了進口原材料問題，也簡化了制備工藝，使合成在分子級別上進行，利于制備高質(zhì)量鐵電粉體，利于產(chǎn)業(yè)化。探討了PLZT前軀體溶液的水解、聚合反應(yīng)機理，并且就合成溫度和保溫時間對PLZT納米粉的物相形成、粉體形貌的影響進行了研究。

4、>　　 2. 以sol-gel方法合成的鈣鈦礦型PLZT超微粉為原料制備出晶粒尺寸≤500nm亞微米細晶粒陶瓷，比普通固相法燒結(jié)的陶瓷粒徑（1.56μm）小得多。對制備出的陶瓷試樣進行結(jié)構(gòu)、形貌和介電壓電性能測試分析，找出最佳制備細晶粒陶瓷的工藝參數(shù)：PLZT 超微粉合成條件為600 ℃×1.5h，燒結(jié)條件為1150 ℃×1.5h，得到PLZT陶瓷的介電、壓電性能俱佳，陶瓷的壓電參數(shù)d33=595，室溫介電常數(shù)ε r=5108,介電損

5、耗tg δ=0.02347.陶瓷燒結(jié)溫度也低于普通固相法燒結(jié)成瓷溫度(1230-1300 ℃).3. 在PLZT 超微粉中摻雜鈦酸鍶鋇(BST)納米粉，制備PLZT 改性陶瓷，其介電、壓電性能較佳，BST 摻雜量為1mol%時陶瓷的性能最好，壓電參數(shù)d33=508，室溫介電常數(shù)ε r=8315,介電損耗tg δ=0.035. 研究發(fā)現(xiàn)摻BST后，PLZT材料的電滯回線變窄，矯頑場變小，自發(fā)極化和剩余極化減小。
　　 4. 以超微

6、粉制備的PLZT陶瓷最高介電常數(shù)達15404，對應(yīng)的相變溫度為212 ℃，這與普通固相燒結(jié)的情況接近。在PLZT超微粉中摻雜Mg 2+所制得陶瓷介電溫譜曲線較未摻雜時向高溫方向移動，PLZT相變溫度提高；當摻雜K+時，ε最大值對應(yīng)的溫度為150 ℃，Tc顯著變小，而室溫介電常數(shù)與未摻雜時相差不大。這對PLZT材料在器件方面的應(yīng)用非常有意義。
　　 5. 從理論角度進一步研究顆粒尺寸大小對PLZT的介電性能的影響，確立介電常數(shù)εr

7、與四方度c/a的基本關(guān)系式。
　　 6.對KTN水熱合成工藝作了系統(tǒng)研究，首次對KTN的微電子結(jié)構(gòu)以及光吸收性能和光發(fā)射性能進行了表征，討論工藝條件對KTN 陶瓷相結(jié)構(gòu)以及光吸收性能和光發(fā)射性能的影響。隨KOH的濃度或反應(yīng)溫度的增高，KTN粉體的晶相結(jié)構(gòu)由立方相向鐵電四方相轉(zhuǎn)變，并且晶格參數(shù)c/a 比值增大，四方度增強。獲得鐵電壓電系數(shù)高的四方相KTN粉的較佳工藝條件是KOH的濃度為16M、反應(yīng)溫度240 ℃、反應(yīng)時間24 小時

8、。KOH的濃度大小決定了KTN材料的禁帶寬度的大小。隨KOH的濃度增加，禁帶寬度增大，最大吸收波長向短波方向移動，發(fā)生藍移現(xiàn)象，影響其光響應(yīng)范圍。
　　 7. 利用KTN中的B位高價離子置換，制備了W 6+摻雜改性的KTN陶瓷樣品。
　　 研究了W 6+摻雜對KTN材料結(jié)構(gòu)和電性能的影響。實驗結(jié)果表明，W 6+摻雜量為6mol%時，KTN的電導(dǎo)率較純KTN 下降了一半；在200V時，W 6+摻雜量為8mol%的漏電流為8