【摘 要】
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挠曲电效应是一种由应变梯度诱导极化的力电耦合效应,因其不受材料宏观对称性限制和无需经历材料极化过程等特点而引起广泛关注。作为功能材料领域的新现象,挠曲电效应的研究鲜有报道,特别是在对材料结构、相组成及性能之间关系上缺乏基本的定性解释。铌镁酸铅-钛酸铅陶瓷(（1-x）[Pb(Mg1/3Nb2/3)O3]-x[PbTiO3],简称PMN-PT)是一种典型的ABO3型弛豫铁电陶瓷,其理论研究已经相当成熟
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挠曲电效应是一种由应变梯度诱导极化的力电耦合效应,因其不受材料宏观对称性限制和无需经历材料极化过程等特点而引起广泛关注。作为功能材料领域的新现象,挠曲电效应的研究鲜有报道,特别是在对材料结构、相组成及性能之间关系上缺乏基本的定性解释。铌镁酸铅-钛酸铅陶瓷(（1-x）[Pb(Mg1/3Nb2/3)O3]-x[PbTiO3],简称PMN-PT)是一种典型的ABO3型弛豫铁电陶瓷,其理论研究已经相当成熟,对其电畴结构和复杂元素分布研究已至微纳范畴,特别是结构与性能关系研究透彻。近年来诸多报道通过稀土掺杂PMN-PT材料显著提高了材料的电学性能。在这样成熟的理论基础上对材料进行挠曲电研究,是作为该领域的一个重要补充。本工作以PMN-PT陶瓷为基体,系统研究镧系稀土元素Sm3+和Eu3+A位掺杂在PMN-PT准同型相界处（MPB）的挠曲电效应产生机理及变化。通过设置不同离子掺杂量及PT变化的实验组,从材料的微观组织及表观特性出发,对镧系稀土元素掺杂改性材料挠曲电机理进行了初步探讨。具体研究内容及结论如下:1.通过传统固相烧结法制备了不同掺Sm3+的16个组分PMN-PT陶瓷,证实了其准同型相界区域位于30%-34%PT处,在该组分处样品表现出了较高的压电系数(d33=692.8 pC/N)、介电性能(εmax=30949)和挠曲电系数（422.49μC/m）,其优良的电学性能来源于MPB位置三方相和四方相比例变化,因为两相共存处势垒降低,相结构转换较易,在受到外界作用时活性增加,且Sm3+离子进入后会诱导更大的局部结构异质性,展现较高的PNRs浓度,在固溶极限范围内PNRs浓度越高,挠曲电性能越强。2.通过对比8个组分不同掺Eu3+量的PMN-PT陶瓷,证实Eu3+掺杂导致了MPB区域往PMN方向移动。证明了在MPB区域内小半径离子的引入会产生极性纳米微区,导致材料的电学性能的到极大提升。2.5Eu-PMN-28PT陶瓷样品展现了超高的压电性能(d33=1450 pC/N),介电性能得到大幅度提升（较纯PMN-PT,增长幅度接近100%）,挠曲电性能相对较好（395.67μC/m）。然而,该样品挠曲电系数相比掺Sm3+的PMN-PT略低,原因是Eu3+离子半径相对较大,引发的晶格结构畸变较小,PNRs的浓度相对较低。此外挠曲电性与杂质、表面压电性、表面挠曲电性及诱导电荷等非本征因素有关,因此在受到弯矩作用诱导时,产生的电极化较低。本项研究可获得挠曲电系数高达472.93μC/m的掺Sm3+陶瓷和395.67μC/m的掺Eu3+陶瓷,相比于传统介电材料的挠曲电系数有了数量级上的提升,该工作将为高精度的挠曲电传感器件、挠曲电驱动器、无损检测等方面提供相应的理论支撑。
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