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锰掺杂铌铟镁酸铅—钛酸铅压电陶瓷的制备与机电性质研究

作　者: 戚旭东
导　师: 吕天全
学　校: 哈尔滨工业大学
专　业: 凝聚态物理
关键词: PIN-PMN-PT 锰掺杂压电陶瓷 高机械品质因数 低介电损耗
分类号: TQ174.1
类　型: 硕士论文
年　份: 2013年
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内容摘要


Pb(In1/2Nb1/2)O3-Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-PbTiO3（PIN-PMN-PT）压电陶瓷是近几年逐渐兴起的一种三元系压电陶瓷，它除了拥有优异的压电性能、介电性能和机电性能外还具有较高的居里温度和相转变温度。这些优异的性能使PIN-PMN-PT压电陶瓷成为压电材料应用领域的重要组成部分。Mn掺杂作为一种“硬性掺杂”，可以大幅提高压电材料的机械品质因数、降低介电损耗，使压电材料的综合性能得到大幅改善，但关于Mn掺杂的PIN-PMN-PT陶瓷至今未见报道。因此，对Mn掺杂PIN-PMN-PT压电陶瓷进行深入、系统的实验显得尤为重要。本论文首先对PIN-PMN-PT陶瓷的制备过程进行研究，总结出制备PIN-PMN-PT所需的两种前驱体MgNb2O6和InNbO4的最佳制备条件为：1000°C-7h-5°C/min和1100°C-7h， PIN-PMN-PT陶瓷的最佳制备条件为1250°C-6h。在PIN-PMN-PT的准同型相界处制备出三种不同组分的PIN-PMN-PT陶瓷并进行性能比较，发现PIN含量较高的58PIN-8PMN-34PT组分居里温度可以达到289°C，压电常数d33=438pC/N。当PMN含量较高时，6PIN-60PMN-34PT的压电特性提升d33=550pC/N，但温度特性有所降低（居里温度Tc=170°C）。第三种组分24PIN-42PMN-34PT的综合性能最为优异，d33=516pC/N， Tc=205°C， Kp=0.67，Qm=68.34， tan δ （%）=1.67。因此，本文选用24PIN-42PMN-34PT进行Mn掺杂的实验研究。本文对具有不同Mn掺杂比例的24PIN-42PMN-34PT压电陶瓷的铁电、介电、压电以及机电性能进行了研究，发现Mn掺杂有利于24PIN-42PMN-34PT压电陶瓷的烧结和成晶，并且掺杂后的24PIN-42PMN-34PT压电陶瓷表现出受主掺杂特性：机电性能上升、铁电和压电性能下降。通过实验研究，发现24PIN-42PMN-34PT压电陶瓷中Mn掺杂的最佳比例在1-2mol%附近。在1mol%的掺杂比例下，24PIN-42PMN-34PT压电陶瓷的机械品质因数Qm提高了1547.56%、介电损耗tanδ下降了82.22%、Kp下降了17.91%、d33下降了16.67%。在2mol%的掺杂比例下，24PIN-42PMN-34PT压电陶瓷的机械品质因数Qm提高了2231.46%、介电损耗tanδ下降了63.89%、Kp下降了15.7%、d33下降了32.75%。从综合性能方面考虑，Mn掺杂PIN-PMN-PT压电陶瓷拥有异常高的机械品质因数和较低的介电损耗，将在超声医疗成像和功率超声中得到广泛的应用。

全文目录


摘要  4-5
Abstract  5-9
第1章 绪论  9-20
  1.1 压电材料概述及发展趋势  9-10
    1.1.1 压电材料概述  9
    1.1.2 压电材料发展趋势  9-10
  1.2 铁电体及弛豫铁电体概述  10-15
    1.2.1 铁电体  10-13
    1.2.2 弛豫铁电体  13-14
    1.2.3 钙钛矿型结构  14-15
  1.3 PIN-PMN-PT 压电陶瓷的研究现状  15-17
  1.4 本论文的课题来源及研究的目的和意义  17-18
    1.4.1 本论文的课题来源  17
    1.4.2 本论文的研究目的与意义  17-18
  1.5 本论文的主要研究内容  18-20
第2章 PIN-PMN-PT 压电陶瓷的制备及性能研究  20-37
  2.1 PIN-PMN-PT 陶瓷的制备工艺  20-21
  2.2 InNbO_4和 MgNb_2O_6前驱体的制备  21-24
  2.3 PIN-PMN-PT 陶瓷的制备  24-25
  2.4 PIN-PMN-PT 陶瓷基本物性测量原理：  25-28
  2.5 PIN-PMN-PT 压电陶瓷的物理性能  28-35
    2.5.1 PIN-PMN-PT 陶瓷的 XRD 衍射分析  29-30
    2.5.2 PIN-PMN-PT 陶瓷的介电特性  30-32
    2.5.3 PIN-PMN-PT 陶瓷的铁电性质  32-33
    2.5.4 PIN-PMN-PT 陶瓷的应变性能  33-34
    2.5.5 PIN-PMN-PT 陶瓷性能参数比较  34-35
  2.6 本章小结  35-37
第3章 Mn 掺 24PIN-42PMN-34PT 压电陶瓷的铁电及介电性能研究  37-50
  3.1 Mn 掺 24PIN-42PMN-34PT 陶瓷的 XRD 及 SEM 成像  37-39
    3.1.1 Mn 掺 24PIN-42PMN-34PT 压电陶瓷的制备  37
    3.1.2 XRD 和 SEM 成像分析  37-39
  3.2 Mn 掺 24PIN-42PMN-34PT 压电陶瓷的铁电性质  39-44
    3.2.1 束腰电滞回线  40-41
    3.2.2 偏移矫顽场  41-43
    3.2.3 剩余极化强度的变化  43-44
    3.2.4 电滞回线矩形度的变化  44
  3.3 Mn 掺 24PIN-42PMN-34PT 压电陶瓷的介电温谱  44-48
  3.4 Mn 掺 24PIN-42PMN-34PT 压电陶瓷的电致应变  48-49
  3.5 本章小结  49-50
第4章 Mn 掺 24PIN-42PMN-34PT 陶瓷的机电性能研究  50-62
  4.1 Mn 掺 24PIN-42PMN-34PT 陶瓷的极化  50-52
  4.2 Mn 掺 24PIN-42PMN-34PT 陶瓷的压电参数  52-53
  4.3 Mn 掺 24PIN-42PMN-34PT 陶瓷的机电耦合系数  53-56
  4.4 Mn 掺 24PIN-42PMN-34PT 陶瓷的电学品质因数  56-57
  4.5 Mn 掺 24PIN-42PMN-34PT 陶瓷的机械品质因数  57-60
    4.5.1 机械品质因数的计算原理  57-59
    4.5.2 掺杂浓度对机械品质因数的影响  59-60
  4.6 本章小结  60-62
结论  62-64
参考文献  64-69
攻读硕士学位期间发表的论文及其它成果  69-71
致谢  71

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中图分类: > 工业技术 > 化学工业 > 硅酸盐工业 > 陶瓷工业 > 基础理论
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