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机械流明材料制备、性能及物理机理研究

作　者: 田祥岭
导　师: 贾艳敏
学　校: 浙江师范大学
专　业: 凝聚态物理
关键词: 机械流明钙钛矿 ZnS:Cu~+ PMN-PT 铁电陶瓷 (Bi0.5Na0.5)TiO3:Pr3+
分类号: O482.31
类　型: 硕士论文
年　份: 2013年
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内容摘要

近年来,机械流明发光材料因其在应力传感器、器件缺陷监测、人造皮肤诊断和应力成像等领域的广阔应用前景而受到人们的青睐,尤其是弹性应力发光由于其可重复性和无损坏性显示了在实际应用的巨大优势。但是目前研究的弹性应力发光,不仅发光弱、缺乏统一的理论,而且实现弹性应力发光的方法单一。所以寻找新的实现弹性应力发光的方法和推导弹性应力发光的理论公式,将是打开机械流明材料实际应用大门的钥匙。本论文对这两个问题做了一些研究。(1)通过选用钙钛矿(1-x)Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-xPbTiO3(PMN-xPT)单晶和五氧化二钽(Ta2O5)高K薄膜,制备出了层状复合结构,实现了应变传递,并测试不同应变对应薄膜电流-电压曲线的变化和电容的变化,发现层状结构不仅利于各个组元最优性能的发挥,而且应变能很好的在这种结构中进行传递,传递系数达到～3300；借助这种制备方法,制备发光二极管/PMN-xPT单晶层状弹性应力发光传感器,成功实现层状弹性应力发光,并测试其不同振动强度和频率的应力发光输出,发现不同的振动强度和频率,传感器的发光输出强度不同,这不仅实现应力分布成像,同时根据光谱图像可以推测应力大小和变化频率。通过和传统机械流明比较,层状弹性应力发光对力的作用更敏感；基于层状机械流明,成功制备了磁光复合材料,并测试不同压电层数目和发光强度间的关系,同时发现发光强度随着交流磁场的增加而增加。(2)通过金属离子沉淀法和高温烧结制备ZnS:Cu+陶瓷粉,并研究了它的弹性应力发光,发现应力施加和撤掉循环中对应两个发光峰,而且重复施加应力,发光强度没有减弱,这是由内势能诱导陷阱中的电子释放和诱导电子-空穴对产生引起。并对弹性应力发光做了理论的推导,发现发光强度不仅和力的变化速率有关,还与力的大小有关;采用高温固相反应制备了CaAl2O4:Eu2+发光粉,并测试了发光粉的机械流明效应,发现随着应力循环次数的增加,发光强度发生衰减在紫外灯辐照下,应力发光强度又恢复到第一次施加应力的状态,然后随着施加应力次数的增加再次衰减；最后,通过采用高温固相反应和烧结成功制备Pr3+掺钛酸铋钠发光陶瓷((Bi0.5Na0.5)TiO3:Pr3+),研究剩余应变和剩余极化强度对Pr3+掺钛酸铋钠发光陶瓷的光致发光的影响,发现剩余应变不仅能提高光致发光强度,而且能提高Pr3+离子浓度淬灭的阈值,或者说光致发光光谱反应剩余应力分布。这不仅能提高光致发光,而且为通过光谱来测量剩余极化强度和剩余应变提供了参考。由于机械流明材料尤其是弹性应力发光材料在智能应力传感和驱动器件上潜在应用前景,它引起了人们广泛的研究兴趣。本论文中实现的层状弹性应力发光制备方法简单,制备成本低廉,污染小,发光强度高。在应力智能传感(例如MEMS器件)、工业精密器件缺陷智能检测、肌肉拉伤疾病诊断、人造皮肤的自我诊断、智能航天器件微裂纹检测、智能压光器件等方面具有巨大的市场潜力和广阔的市场前景。通过研究ZnS:Cu+陶瓷粉的弹性应力发光和(Bi0.5Na0.5)TiO3:Pr3+铁电陶瓷的光致发光,能更好的理解机械流明和光致发光本质。本论文紧跟国际研究前沿,具有很强的创新性。

全文目录

摘要  3-5
ABSTRACT  5-7
目录  7-9
1 绪论  9-14
  1.1 研究背景  9-12
    1.1.1 机械流明基本概念  9-10
    1.1.2 机械流明研究现状  10-12
    1.1.3 机械流明材料的应用前景  12
  1.2 本论文的研究内容  12-14
2 机械流明材料的制备和表征方法  14-26
  2.1 层状机械流明的制备与测试  14-15
    2.1.1 层状机械流明材料的制备方法  14-15
    2.1.2 层状机械流明材料的测试方法  15
  2.2 陶瓷型机械流明的制备与测试  15-20
    2.2.1 陶瓷机械流明材料的制备方法  15-19
    2.2.2 陶瓷机械流明材料的测试方法  19-20
  2.3 表征方法  20
    2.3.1 X射线衍射(XRD)  20
    2.3.2 透射电子显微镜(TEM)  20
  2.4 发光原理及光谱测量  20-24
    2.4.1 光致发光  21
    2.4.2 电致发光  21-22
    2.4.3 发光材料的基本性能指标  22-24
  2.5 电学性能的测量方法及原理  24-26
    2.5.1 铁电性能  24-25
    2.5.2 电运输特能的测量  25-26
3 层状机械流明性能及讨论  26-40
  3.1 利用层状结构调节Ta_2O_5薄膜物理性能的研究  26-30
    3.1.1 引言  26-27
    3.1.2 基于逆压电效应调节薄膜材料的物理性能  27-30
  3.2 基于层状结构的机械流明效应  30-34
    3.2.1 引言  30-31
    3.2.2 超声振动施加应力的理论分析  31-32
    3.2.3 层状机械流明性能研究  32-34
  3.3 层状机械流明理论推导  34-35
  3.4 基于层状机械流明效应的磁光复合材料  35-38
    3.4.1 引言  35-36
    3.4.2 磁光复合材料性能测试及讨论  36-38
  3.5 本章小结  38-40
4 陶瓷型机械流明的研究  40-54
  4.1 引言  40
  4.2 ZnS：Cu~+陶瓷粉表征  40-43
    4.2.1 X射线衍射及透射电镜分析  40-42
    4.2.2 光致发光分析  42-43
  4.3 ZnS：Cu~+力致发光性能及动力学模型  43-45
  4.4 力致发光理论推导  45-47
  4.5 CaAl_2O_4：Eu~(2+)力致发光性能及动力学模型  47-48
  4.6 铁电剩余极化提高发光强度  48-53
  4.7 本章小结  53-54
5 总结与展望  54-56
  5.1 主要结论  54
  5.2 研究展望  54-56
参考文献  56-64
攻读学位期间取得的研究成果  64-65
致谢  65-68

机械流明材料制备、性能及物理机理研究

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