本文關(guān)鍵詞：稀土摻雜的鈦酸鉍鈉基無鉛壓電陶瓷的結(jié)構(gòu)、鐵電、壓電及熒光性能研究

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【摘要】：壓電陶瓷材料是一類非常重要的功能材料,在制動器、換能器、濾波器等方面都有廣泛應(yīng)用。但是,目前使用最多的是鉛基壓電陶瓷,眾所周知,鉛基壓電陶瓷材料中含有強毒性的氧化鉛,在其制備生產(chǎn)、使用及廢棄處理過程中,都會對生態(tài)環(huán)境及人類健康產(chǎn)生嚴重的危害。因此,近年來,越來越多的科研工作者們致力于發(fā)展和研究高性能的無鉛壓電材料,以替代傳統(tǒng)鉛基陶瓷。鈦酸鉍鈉(Bi_(0.5)Na_(0.5)TiO_3)陶瓷因具有良好的鐵電性和高的居里溫度被譽為最有希望替代鉛基陶瓷的材料體系,但同時高的矯頑場使得其極化變得困難,因而壓電性能較差。另一方面,隨著科技發(fā)展的日新月異,器件朝著微型化和多功能化發(fā)展。近年來,稀土摻雜的鐵電-熒光多功能材料受到廣泛關(guān)注。本文將稀土離子引入Bi_(0.5)Na_(0.5)TiO_3基材料中形成了0.94(Bi_(1-x)Dy_x)_(0.5)Na_(0.5)TiO_3-0.06Ba TiO_3、0.94(Bi_(1-x)Sm_xNa)_(0.5)TiO_3-0.06Ba TiO_3、(Bi_(1-x)Tm_x)_(0.5)(Na_(0.85)K_(0.15))_(0.5)TiO_3陶瓷體系,重點研究了稀土摻雜對BNT基鈣鈦礦材料鐵電、壓電和熒光性能的影響。主要研究內(nèi)容及結(jié)果如下:(1)采用傳統(tǒng)固相法成功制備了0.94(Bi_(1-x)Dy_x)_(0.5)Na_(0.5)TiO_3-0.06Ba TiO_3(x=0,0.005,0.010,0.015,0.020,0.025和0.030)陶瓷樣品,系統(tǒng)研究了組分對陶瓷鐵電、壓電和熒光性能的影響。所有陶瓷樣品均為純的鈣鈦礦結(jié)構(gòu),且形成了三方相和四方相的準同型相界(MPB)。部分Dy~(3+)取代Bi~(3+)顯著增強了材料的壓電性能。在x=0.025時,材料獲得最優(yōu)的壓電性能:d33=190 p C/N,kP=37.2%。添加Dy~(3+)之后誘導出了材料的熒光性能,在478 nm附近發(fā)藍光,575 nm附近發(fā)黃光,分別對應(yīng)Dy~(3+)的~4F_(9/2)→6H15/2和~4F_(9/2)→6H13/2的Dy~(3+)躍遷。在x=0.025時,陶瓷的熒光性能最優(yōu)。研究結(jié)果顯示出,當Dy~(3+)摻雜量為2.5 mol%時,能獲得了最佳的壓電性能,強的鐵電性能和優(yōu)異的熒光性能。(2)采用傳統(tǒng)固相法制備了0.94(Bi_(1-x)Sm_xNa)_(0.5)TiO_3-0.06Ba TiO_3(x=0-0.05)無鉛壓電陶瓷,系統(tǒng)研究了材料的結(jié)構(gòu)、壓電、鐵電和熒光性能。所有的的陶瓷具有良好的致密性。陶瓷樣品均為純的鈣鈦礦結(jié)構(gòu),且為三方相和四方相共存。在少量摻雜Sm~(3+)(x≤0.035)后,陶瓷壓電性能得到強化,d33由147 p C/N增加至172p C/N,然而,過量的Sm~(3+)(x=0.035-0.05)則會劣化其壓電性能,d33由172 p C/N逐步減少至18 p C/N。在406 nm激發(fā)波長下,陶瓷顯示出三個明顯的發(fā)射峰,分別位于563 nm(~4G_(5/2)→~6H_(5/2)),597 nm(~4G_(5/2)→6H7/2)和645 nm(~4G_(5/2)→~6H_(9/2))。在564 nm發(fā)射波長下,能得到Sm~(3+)的5個激發(fā)峰位于407,420,464,440和479 nm處,分別對應(yīng)Sm~(3+)的~6H_(5/2)→~4F_(7/2),~6H_(5/2)→(6P,4P)5/2,~6H_(5/2)→4G9/2,~6H_(5/2)→~4I_(11/2),13/2和~6H_(5/2)→~4M_(15/2)能級躍遷。其中,~4G_(5/2)→~6H_(5/2)和~6H_(5/2)→~4F_(7/2)對應(yīng)的發(fā)射峰強度隨著x的增大呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢。在x=0.035時,材料顯示出最優(yōu)的熒光性能。材料的平均衰減時間τav隨著x的增大由1.0869 ms減少至0.7850 ms。(3)采用傳統(tǒng)固相法制備了(Bi_(1-x)Tm_x)_(0.5)(Na_(0.85)K_(0.15))_(0.5)TiO_3無鉛壓電陶瓷,研究了Tm~(3+)摻雜量對其結(jié)構(gòu)、鐵電性、壓電性和上轉(zhuǎn)換發(fā)光性能的影響。所有陶瓷均為純的鈣鈦礦結(jié)構(gòu),且Tm~(3+)固溶進了Bi_(0.5)(Na_(0.85)K_(0.15))_(0.5)TiO_3的晶格中形成了均一均勻的固溶體,陶瓷存在三方-四方的準同型相界。Tm~(3+)的摻雜使得陶瓷的粒徑發(fā)生明顯的變化,呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢。當x逐漸增加至0.08時,陶瓷的矯頑場Ec從4.10 k V/mm逐漸減小至0.98 k V/mm,鐵電性能得到強化。在摻雜少量的Tm~(3+)后,陶瓷的壓電性能得到顯著提高,在x=0.02時,壓電系數(shù)d33達到153p C/N。但是,過量的Tm~(3+)會弱化其壓電性能。陶瓷顯示出明顯的上轉(zhuǎn)換發(fā)光性能,在980 nm的激發(fā)波長下,陶瓷能獲得三個非常明顯的特征峰,分別位于486nm、550 nm和649 nm處,且分別對應(yīng)了Tm~(3+)三個能級躍遷:~1G_4→~3H_6、~1G_4→~3F_4和~3 F _(23)→~3H_6。
【關(guān)鍵詞】：鈦酸鉍鈉 鈣鈦礦 鐵電性能 壓電性能 熒光性能
【學位授予單位】：四川師范大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2016
【分類號】：TQ174.1
【目錄】：

• 摘要4-6
• Abstract6-10
• 1 緒論10-30
• 1.1 引言10
• 1.2 壓電和鐵電材料10-14
• 1.3 無鉛壓電陶瓷14-23
• 1.4 鈦酸鉍鈉基無鉛壓電陶瓷的研究現(xiàn)狀23-27
• 1.5 稀土發(fā)光材料簡述27-28
• 1.6 本文的立項依據(jù)和主要研究內(nèi)容28-30
• 2 陶瓷的制備工藝及其性能測試方法30-37
• 2.1 引言30
• 2.2 制備工藝30-37
• 3 0.94(Bi_(1-x)Dy_x)_(0.5)Na_(0.5)TiO_3 0.06BaTiO_3陶瓷的結(jié)構(gòu)、壓電、鐵電及熒光性能37-48
• 3.1 引言37-38
• 3.2 0.94(Bi_(1-x)Dy_x)_(0.5)Na_(0.5)TiO_3 0.06BaTiO_3陶瓷的晶相結(jié)構(gòu)和微觀結(jié)構(gòu)38-40
• 3.3 0.94(Bi_(1-x)Dy_x)_(0.5)Na_(0.5)TiO_3 0.06BaTiO_3陶瓷的介電、鐵電和壓電性能40-43
• 3.4 0.94(Bi_(1-x)Dy_x)_(0.5)Na_(0.5)TiO_3 0.06BaTiO_3陶瓷的熒光性能43-46
• 3.5 本章小結(jié)46-48
• 4 0.94(Bi1-xSmx)_(0.5)Na_(0.5)TiO_3 0.06BaTiO_3陶瓷的結(jié)構(gòu)、壓電、鐵電及熒光性能48-59
• 4.1 引言48
• 4.2 0.94(Bi1-xSmx)_(0.5)Na_(0.5)TiO_3 0.06BaTiO_3陶瓷的晶相結(jié)構(gòu)和微觀結(jié)構(gòu)48-50
• 4.3 0.94(Bi1-xSmx)_(0.5)Na_(0.5)TiO_3 0.06BaTiO_3陶瓷的介電、鐵電和壓電性能50-53
• 4.4 0.94(Bi1-xSmx)_(0.5)Na_(0.5)TiO_3 0.06BaTiO_3陶瓷的熒光性能53-57
• 4.5 本章小結(jié)57-59
• 5 (Bi_(1-x)Tm_x)_(0.5)(Na_(0.85)K_(0.15))0.5TiO_3陶瓷的結(jié)構(gòu)、壓電、鐵電及熒光性能研究59-70
• 5.1 引言59
• 5.2 (Bi_(1-x)Tm_x)_(0.5)(Na_(0.85)K_(0.15))0.5TiO_3陶瓷的晶相結(jié)構(gòu)和微觀結(jié)構(gòu)59-64
• 5.3 (Bi_(1-x)Tm_x)_(0.5)(Na_(0.85)K_(0.15))0.5TiO_3陶瓷的介電、鐵電和壓電性能64-67
• 5.4 (Bi_(1-x)Tm_x)_(0.5)(Na_(0.85)K_(0.15))0.5TiO_3陶瓷的上轉(zhuǎn)換發(fā)光性能67-68
• 5.5 本章小結(jié)68-70
• 6 總結(jié)與展望70-72
• 參考文獻72-82
• 致謝82-83
• 碩士期間研究成果83-84

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