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摘 要

PMN–PT是典型的弛豫铁电材料，具有良好的介电和压电性能，广泛应用于陶瓷电容器和微位移致动器。但是烧绿石杂相的产生会降低其介电和压电性能，限制PMN-PT的应用。为了稳定钙钛矿结构，减少烧绿石杂相的产生，进一步提高介电和压电性能，用Ba² 进行掺杂。将Ba² 引入钙钛矿结构晶格，用Ba² 部分替代Pb² 。Ba² 比Pb² 有较小的电负性和极化效应，以及一个大的离子半径，会导致较低程度的一个A-O共价，减少杂相的产生。本文采用两步固相合成法制备了Ba² 掺杂的0.65PMN–0.35PT弛豫铁电陶瓷，通过先制备MgNb₂O₆（MN）前驱体，再制备Ba² 掺杂的0.65PMN–0.35PT获得了钙钛矿结构，极大的减少了（烧绿石）PbNb₂O₇的产生。最后对Ba² 掺杂0.65PMN–0.35PT陶瓷探究不同含量的Ba² 对PMN–PT铁电性能的影响。发现随着Ba² 掺杂含量的增加，P_max、P_r先减小后增大，在Ba² 含量为0%时最大。S_max逐渐增加，在掺杂量为4%时达到最大，迟滞程度和电致应变灵敏度先变小后变大，在Ba² 含量为3%时达到最佳。

关键词：PMN–PT陶瓷 Ba² 掺杂 微观结构 铁电性能

Abstract

PMN-PT is a typical relaxation ferroelectric material with good dielectric and piezoelectric properties, it is widely used in ceramic capacitors and micro-displacement actuator. However, the generation of pyrochlore miscellaneous phase reduces dielectric and piezoelectric properties and limits the use of PMN-PT. In order to stabilize the perovskite structure, reduce the generation of pyrochlotic miscellaneous phase, and further improve the dielectric and piezoelectric properties, i dope it with Ba² . Ba² is introduced into the perovskite structure lattice to take the place of Pb2 . Ba2 has a smaller electronegativity and polarization effect than Pb² , as well as a large ion radius that results in a lower degree of A-O covalence and reduces the generation of heterogeneous phases. In this paper, Ba² doped 0.65PMN-0.35PT relaxation ferroelectric ceramics was prepared by two-step solid-phase synthesis method. The MgNb₂O₆ (MN) precursor was prepared and the Ba² doped 0.65PMN-0.35PT was prepared then. It greatly reducing the (pyrochlore) PbNb₂O₇ production. Finally, the effect of different contents of Ba² on PMN-PT ferroelectric properties was investigated for 0.65PMN-0.35PT ceramics with Ba² doping. It was found that P_max and P_r decreased first and then increased with the increase of Ba² doping amount, which was the largest when Ba² content was 0%. Smax increased gradually, reached the maximum when the doping amount was 4%, the degree of hysteresis and the change of the electrical strain became smaller and then became the best when the Ba² content was 3%.

Key words: PMN-PT ceramics; Ba² doped; micro-structure; ferroelectric properties

目录

摘要 I

Abstract II

目录 i

第一章 绪论 1

1.1 铁电、弛豫铁电概述 1

1.2 PMN-PT陶瓷材料概述 2

1.2.1 PMN-PT陶瓷材料 2

1.2.2 PMN-PT陶瓷的制备方法 2

1.3 PMN-PT体系陶瓷研究进展 5

1.4 研究目的、意义和内容 6

第二章0.65PMN–0.35PT–xBa² 陶瓷的制备方法 8

2.1配料 8

2.1.1原材料 8

2.1.2 配料方案 8

2.2 实验步骤 9

第三章 Ba² 掺杂PMN-PT陶瓷的制备及铁电性能 12

3.1 MN前驱体制备 12

3.2 0.65PMN-0.35PT-xBa² 预烧温度制度的确定 14

3.3 0.65PMN-0.35PT-xBa² 微观结构及铁电性能 16

3.3.1 0.65PMN-0.35PT-xBa² 微观结构分析 16

3.3.2 铁电性能表征 17

3.4 本章小结 21

第四章 结论与展望 22

4.1 结论 22

4.2 展望 22

参考文献 24

第一章 绪论

随着时代的发展，现代产业智能化程度不断提高。计算机相关的电子信息技术和机械精密制造技术要求的越来越高^[1]，导致器件对材料的铁电性能要求日益增加。弛豫铁电体因其具有良好的电性能和敏感电致应变效应而得以迅速发展^[2]，广泛应用于陶瓷电容器和微位移制动器。然而，烧绿石杂相的产生，严重影响介电和压电性能。因此，大量的工作已经投入到减少杂相的产生，稳定钙钛矿结构。本实验也致力于通过掺杂元素的方法来稳定钙钛矿结构，减少杂相的产生。进而，进一步提高PMN-PT二元体系陶瓷的性能。

1.1 铁电、弛豫铁电概述

法国人Valasek在1921年发现罗锡盐的铁电现象。1935年，在新的KH₂PO₄ (KDP)体系中发现了铁电现象。1944年，在简单钙钛矿铁BaTiO₃(BT)中也发现了铁电现象。BT的发现对铁电材料的发展产生至关重要的影响，导致了“钙钛矿”的时代的到来。当材料不需要在外加电场作用下，自身即可发生正负电荷分离，产生内部电场的现象称为自发极化。铁电体就是这样一类能产生自发极化的材料。铁电体不同于一般材料，铁电性是铁电体的特性。而判断铁电性是否存在，电滞回线是主要手段。电滞回线是P关于E的图线，其中可找出P_s、P_r和E_c。通过电滞回线，可以清晰地看出当外部电场在矫顽场附近时，极化强度变化剧烈，表明具有矫顽场强度的外部电场作用下大多数的畴会反转或转换。影响电滞回线形状的因素有很多，比如样品厚度、材料组成、热处理、带电缺陷的存在、机械应力、测量条件等等。一般，P_s越大，E_c越饱和，材料铁电性越好。

在铁电体内，并非所有区域极化强度均相同。极化强度相近，或者相同的区域称为一个电畴。电畴可以降低自由能，促进铁电体从高温对称相向低温对称相的相转变。居里温度点(T_d)，是铁电体非常重要的一个参数。当温度低于T_d时，可发生自发极化。但是温度高于T_d时，材料将失去自发极化能力。弛豫铁电陶瓷有一些普通铁电材料不具备的特点，比如说弥散相变。除此之外，它还有频率色散介电常数与温度关系符合类居里-外斯定律，以及具有很大的电致伸缩系数等特点。

1.2 PMN-PT陶瓷材料概述

1.2.1 PMN-PT陶瓷材料

PMN全称为铌镁酸铅是一种典型的压电陶瓷材料。铌镁酸铅（PT）基陶瓷材料就是这样一种具有钙钛矿型结构的功能材料^[4]。PMN-PT全称为铌镁酸铅-钛酸铅，化学式为(1-x)Pb(Mg_1/3Nb_2/3)O₃-xPbTiO₃(PMN-PT)，它具有复合钙钛矿结构，是一种新型驰且典型的豫型铁电体。通过改变铌镁酸铅的含量，它的相结构为三方相或四方相。但是当铌镁酸铅含量在33％-35％之间时，结构处在相转变期间^[1]。此时，三方相和四方相共存成为准同型相界（MPB）。在其准同型相界附近，具有优异的电性能，敏感的电致应变的PMN-PT陶瓷材料，被认为是多层陶瓷电容器和微位移制动器的理想材料^[5]。

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