论文部分内容阅读
压电材料具有压电效应，是一种非常重要的功能材料。压电效应是指压电材料能够在施加应力的情况下产生表面电荷，在施加电场的情况下发生形变，实现电能和机械能的相互转化。压电材料因此而在生产生活中应用广泛，比如用于制作传感器、驱动器、换能器等等。 近半个世纪以来，具有优异的压电性质的以锆钛酸铅(Pb(Zr, Ti)O3，简称PZT）为代表的含铅氧化物基铁电材料占据了整个传感及能量转换的技术领域。然而随着全球范围内环保主义诉求的不断增强，PZT在制造和工作过程中产生铅污染的事实越来越引起广泛重视，研制高性能无铅压电陶瓷的需求与日俱增。提高压电材料机电响应的传统方法是通过调节材料组分来实现的。目前已报道了很多性能优异的无铅压电陶瓷，尤其是(K,Na)NbO3基赝三元系材料，以及BaTiO3基赝三元系材料两系材料最具高压电性的潜质。 本论文的主要研究内容是开发了一种新的钛酸钡基无铅压电陶瓷(1-x)Ba(Ti0.94Ce0.06)O3-x(Ba0.7Ca0.3)TiO3（简称BTC-xBCT），并对该体系各个组分的结构、压电性能、介电性能、电热性能进行测试分析，研究其电学性能和相转变过程与机制。 本工作首先使用固相烧结法制备了从(1-x)Ba(Ti0.94Ce0.06)O3-x(Ba0.7Ca0.3)TiO3(x=0～10)共11个组分的压电陶瓷样品，探索出该种陶瓷的制备条件。通过相结构表征，表明所有样品均呈典型的钙钛矿结构。 研究表明BTC-xBCT在室温下有一个由三方相到四方相转变的准同型相界(MPB)，其组分为BTC-40BCT，在该MPB，陶瓷材料的X射线衍射图谱在45度位置的衍射峰形貌有明显改变，同时该组分陶瓷的介电性质、压电性质均达到最优，场致应变为0.13％，压电常数d33最大值为170pC/N，动态压电常数d*33最大值为430pC/N。对陶瓷相变机理进一步探讨，认为该体系陶瓷的MPB是出发于立方相、三方相、四方相共存的三相点，从三方相转变为四方相的准同型相界，这样的三方-四方铁电相变与一般的三方-正交-四方铁电相变相比，极化偏转能垒更小，所以有更大的电学性能提升。 本文还重点对BTC-40BCT陶瓷的电热性质及其作为电热材料的铁电制冷性能进行了测试和研究。首先通过测试不同温度下陶瓷样品的电滞回线，得到电极化强度与温度的响应关系，然后通过差热分析测算出陶瓷比热容，最后根据热力学关系式计算，间接获得了陶瓷材料在绝热去极化过程中温度变化值△T。结果表明在居里温度附近，△T达到最大值0.836 K，这也表明了这种材料最高的铁电制冷性能。