论文部分内容阅读
准同型相界(MPB)组分的锆钛酸铅(Pb(Zr1-xTix)O3，PZT)陶瓷，因具有高的居里温度、高的介电常数、低的介电损耗和大的机电耦合系数等优点成为传感器、压电马达和制动器等仪器的核心部件。选择不同的掺杂元素，可以使得陶瓷具有“软性”或者“硬性”，分别满足发射型和接收型材料的要求，这是PZT基压电陶瓷的一大特点，即性能可调性。虽然，由于烧结过程中铅元素的挥发会引起环境污染，使得含铅陶瓷的应用受到限制，也使得目前无铅压电陶瓷的研制成为趋势。但是，在一些特殊的仪器，如航天探测器，太空望远镜，以及深海探测器等仪器中，含铅压电陶瓷的优异性能仍然是无可取代的。因此，研究PZT基压电陶瓷的低温结构和性能，对于在低温下应用PZT基陶瓷具有非常重大的意义。同时，探索PZT基陶瓷高压电性能的起源对研制高性能无铅压电陶瓷的制备具有指导作用。
目前，PZT基陶瓷室温以上的相结构已经被广泛认可，但是，其室温以下的相结构仍然存在很大争议。本论文针对这一问题，通过组分设计和物理机制研究，揭示了PZT基陶瓷低温下结构与性能的相互关系，也为PZT基陶瓷的低温应用提供科学依据。
本论文采用传统固相法制备出多种PZT基压电陶瓷。
首先，针对低温下宽温区介电温谱测试的独特性，研究了测试频率和升降温速率对测试结果的影响，确定了低温下宽温区测试的基本参数。
其次，针对PZT陶瓷低温相结构的争议，利用高低温箱，研究了纯Pb(Zr1-xTix)O3(x=0.50，0.48，0.47)陶瓷在外掺1wt％Nb元素前后在210K至420K温区的介电温谱。研究结果表明，在室温附近，所研究的PZT基压电陶瓷都出现了明显的介电异常现象。通过对比实验，比较分析，我们认为产生该介电异常的主要原因是陶瓷在此温度区间发生了铁电-铁电相变。此后，我们通过热释电测试，观测到了表征相变的热释电电流峰，进一步证实了我们的观点。
第三，针对压电陶瓷的极化效应，使用低温探针台，研究了极化前后，化学组成为Pb0.99375(Zr0.52Ti0.48)0.9875Nb0.0125O3(PZTN)的陶瓷在100K到290K温区的介电温谱。研究结果表明，极化会对陶瓷结构产生重要影响。极化前，PZTN陶瓷在280K出现了与频率无关的介电异常，极化后，该温区的介电异常则具有明显的频率色散特性。采用Vogel-Fulcher定律对该频率色散现象进行拟合，得到频率常数和激活能。该频率常数在晶格振动频率范围内，而激活能却远小于离子或带电荷缺陷迁移所需要的激活能。通过分析，我们将该频率色散现象的起源归结为由极化引起的陶瓷相结构的单斜畸变。在陶瓷材料中，该单斜畸变引起陶瓷结构的不稳定，使得极化旋转容易，改变了自由能平滑度，从而引起色散现象。
最后，使用高低温箱控温，研究了极化后的“复合添加”PZT基陶瓷的低温介电性能。研究结果显示，极化后的“复合添加”PZT基陶瓷在室温附近的介电异常几乎消失。对于这个结果，目前仍无法给出合理的解释。但是，这一结果为制备室温附近温区内，介电性能稳定的PZT基陶瓷提供了实验依据。
综上所述，本论文研究了多种PZT基陶瓷的介电、热释电性能，对观测到的现象进行合理的分析，探索其物理机制。研究结果表明，组分简单的PZT基陶瓷室温附近的介电异常现象来源于该温度区间出现的单斜结构，并且该结构很有可能是PZT基陶瓷高性能的来源。同时，“复合添加”的方法可以制备室温附近介电性能稳定的陶瓷。