本文關(guān)鍵詞：幾種高溫壓電晶體的生長及其性能研究，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

【摘要】：高溫壓電材料作為傳感器、換能器、諧振器等在航空航天、宇宙探測、石油開采、機械自動以及核電安全檢測等方面有著重要的應用。目前國內(nèi)外研究和應用的壓電晶體材料主要有α-SiO2、GaPO4、LiTaO3、La3Ga5SiO14 (LGS)和ReCa4O(BO3)4等。但是,由于這些晶體有的有相變(或居里溫度低)、有的電阻率低、或壓電系數(shù)低、或介電損耗大或晶體對稱性較低等原因,難以滿足高溫壓電應用不斷增長的需求。因此,需要不斷的努力探尋具有較大壓電敏感性、較高熱穩(wěn)定性并具有較小的噪音信號的較高的對稱性的壓電晶體。為探索應用于高溫傳感技術(shù)領(lǐng)域的壓電晶體材料,本論文生長了硅酸鈦鋇(Ba2TiSi2O7)晶體、黃長石型晶體(Ca2MgSi2O7、Ca2Ga2SiO7、CaNdGa3O7、 SrNdGa3O7),研究了它們的熱學性能,并對上述所生長的晶體和軟鉍礦型晶體(Bi12TiO20,BTO; Nd0.06Bi11.94SiO20)的電學性能進行了系統(tǒng)的研究,主要研究內(nèi)容和結(jié)果如下：一.晶體生長1.在介紹熔體提拉法晶體生長設(shè)備和提拉法綜述的基礎(chǔ)上,結(jié)合硅酸鈦鋇石型和黃長石型晶體的特點,確定了多晶料合成、晶體生長工藝流程以及晶體生長完成后退火工藝。采用JTL-400B單晶生長爐,利用Czochralski熔體提拉法,生長了大尺寸的無宏觀缺陷的硅酸鈦鋇石型Ba2TiSi2O7和黃長石型Ca2MgSi2O7、Ca2Ga2SiO7、CaNdGa3O7、SrNdGa3O7晶體。2.用高分辨X-射線衍射表征和研究了晶體的物相和結(jié)構(gòu),研究發(fā)現(xiàn)Ba2TiSi2O7具有硅酸鈦鋇石結(jié)構(gòu),空間群為P4bm; Ba2TiSi2O8結(jié)構(gòu)由Si04四面體和TiO5四角錐組成沿著[001]方向的層狀結(jié)構(gòu)構(gòu)成,層與層之間通過Ba2+連接。3.研究了黃長石晶體的物相和結(jié)構(gòu),研究表明Ca2MgSi2O7、Ca2Ga2SiO7、 CaNdGa3O7和SrNdGa3O7具有黃長石結(jié)構(gòu),空間群為p421m。因黃長石型晶體具有類似的結(jié)構(gòu),以Ca2Ga2SiO7為例描述了該類晶體的結(jié)構(gòu)。Ca2Ga2SiO7晶體結(jié)構(gòu)由GaO4正四面體和共頂點的非正四面體(GaO4和SiO4)組成在XY-平面內(nèi)分布的四面體層構(gòu)成,層與層之間通過八配位的Ca2+連接(沿Z-軸)。二.晶體的熱學性能研究研究了晶體的熱學性能,包含比熱、熱膨脹、熱導率、熱擴散：采用差式掃描量熱儀(Perkin Elmer Diamond:DSC)測量硅酸鈦鋇Ba2TiSi2O7口黃長石型Ca2MgSi207、Ca2Ga2SiO7、CaNdGa3O7和SrNdGa3O7晶體在20-300℃的比熱,發(fā)現(xiàn)隨著溫度的升高比熱增大；采用Perkin-Elmer公司的熱機械分析儀(TMA)測量晶體在30-300℃范圍內(nèi)的熱膨脹系數(shù),測試結(jié)果表明隨著溫度的升高晶體膨脹；利用德國耐馳公司生產(chǎn)的Laser flash 44 apparatus測試了晶體的熱擴散系數(shù)；根據(jù)測試的熱擴散和比熱,計算了熱導率隨溫度的變化,發(fā)現(xiàn)同種晶體X方向的熱導率數(shù)值均大于Z方向的數(shù)值,這是由于晶體的層狀結(jié)構(gòu)阻礙了熱量的傳導。利用阿基米德浮力法測量了晶體的密度,室溫下Ba2TiSi2O7、Ca2MgSi2O7、 Ca2Ga2SiO7、CaNdGa3O7和SrNdGa3O7晶體的密度分別為4.47、2.96、3.80、5.14和5.47g/cm3；利用熱膨脹隨溫度的變化,研究了密度隨溫度的變化,發(fā)現(xiàn)密度均隨溫度的升高而降低。三.硅酸鈦鋇晶體的電學和彈性性能研究1.介紹了應力應變、彈性常數(shù)、壓電常數(shù)和壓電方程、機電耦合系數(shù)等壓電參數(shù),以及壓電測試方法、壓電振動模式、壓電切型等與壓電性能研究相關(guān)的內(nèi)容。2.測試了硅酸鈦鋇晶體的全部電彈常數(shù),Ba2TiSi2O8晶體的相對介電常數(shù)ε11T/ε0和ε33T/ε0分別為16.5和10.8,壓電系數(shù)d15、d31和d33分別為17.5、2.7和4.0pC/N;研究了縱向壓電常數(shù)d33*的方向依賴性,計算發(fā)現(xiàn)繞著X軸旋轉(zhuǎn)50度時,d33*取得最大值8.7 pC/N。3.測量了Ba2TiSi2O8晶體的高溫電阻率,在600℃時,沿X-,Z-和Z*方向電阻率分別為1.9×107 Ohm·cm,3.6×109 Ohm·cm和2.1×107 Ohm·cm,晶體的層狀結(jié)構(gòu)阻礙了電荷的輸運,因此Z-軸方向電阻率較高。4. 研究了Ba2TiSi2O8晶體機電耦合性能的溫度穩(wěn)定性,d15和d33*具有較高的溫度穩(wěn)定性(在25-700℃內(nèi)變化率分別為6%和4.5%),加上具有較大的電阻率、較大的壓電系數(shù)和機電耦合系數(shù)以及容易得到高質(zhì)量大尺寸單晶,使Ba2TiSi207晶體成為很有應用前景的高溫傳感器用壓電晶體材料。四.黃長石型晶體的電學和彈性性能研究1.測試了黃長石晶體的全部電彈常數(shù),Ca2MgSi207、Ca2Ga2Si07、CaNdGa3O7和SrNdGa3O7晶體的相對介電常數(shù)ε11T/ε0為11.7-16.8,壓電常數(shù)d14為5.3-9.4pC/N,機電耦合系數(shù)為8.0-16.3%。探索了晶體的壓電系數(shù)與結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系,認為d14產(chǎn)生主要來自8-重雙錐的形變,d36主要來自四面體的形變/旋轉(zhuǎn)。2.研究了二次旋轉(zhuǎn)坐標系中壓電系數(shù)的方向依賴性,以CaNdGa3O7晶體為例,發(fā)現(xiàn)壓電系數(shù)d12*,d13*和d33*取得最大值時依次對應kYtw46°/1°, XZlt68°/46°, ZXtl46/56°-切型,壓電數(shù)值分別為4.5,4.7,3.9 pC/N。3. 測試了黃長石型晶體的高溫電阻率,從晶體結(jié)構(gòu)方面分析了影響電阻率大小的因素,晶體的層狀結(jié)構(gòu)阻礙了電荷的輸運,增大了晶體的電阻率；晶體的無序結(jié)構(gòu),導致中子散射,降低了晶體的電阻率。4. 通過研究黃長石型晶體的介電、彈性和壓電系數(shù)的溫度穩(wěn)定性,發(fā)現(xiàn)SrNdGa3O7晶體具有較高的彈性常數(shù)、壓電常數(shù)的熱穩(wěn)定性(在25-600℃范圍內(nèi)小于3%),加之較高的電阻率(9.2×106 Ohm·cm@600 ℃),大的壓電常數(shù)(9.4 pC/N),是具有應用潛質(zhì)的高溫壓電晶體材料。五.軟鉍礦型晶體的電學和彈性性能研究1.設(shè)計壓電切型,測試了軟鉍礦型晶體鈦酸鉍(Bi12TiO20, BTO)和硅酸鉍(Nd0.06Bi11.94SiO20, BSO)的全部電彈常數(shù),相對介電常數(shù)ζ11T/ε0為48,壓電系數(shù)西4為42.8-47.7 pC/N,機電耦合系數(shù)k14為32.8%-36.3%。2. 研究了二次旋轉(zhuǎn)坐標系中的縱向壓電系數(shù)d33的方向依賴性,得到壓電最優(yōu)切型,為ZXtl45°/54°。加工了最優(yōu)切型,BSO和BTO晶體最優(yōu)切型的d33理論計算值與實驗測量值一致。3.研究了BTO和BSO的壓電性能分別在25-350℃和25-500℃范圍內(nèi)的溫度穩(wěn)定性,研究發(fā)現(xiàn)壓電變化率小于6%,表明軟鉍礦型晶體是具有應用潛質(zhì)的中高溫壓電晶體材料。
【關(guān)鍵詞】：高溫壓電性能 Ba_2TiSi_2O_7晶體 黃長石晶體 軟鉍礦型晶體
【學位授予單位】：山東大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2015
【分類號】：O78
【目錄】：

• 摘要10-13
• ABSTRACT13-18
• 第一章 緒論18-36
• §1.1 引言18
• §1.2 壓電材料分類18-21
• §1.3 對壓電材料性能的要求21-22
• §1.4 高溫壓電晶體的研究現(xiàn)狀22-24
• §1.5 硅酸鈦鋇、黃長石型和軟鉍礦型晶體的研究進展24-27
• §1.5.1 硅酸鈦鋇晶體研究進展24-25
• §1.5.2 黃長石型晶體研究進展25-27
• §1.5.3 軟鉍礦型晶體研究進展27
• §1.6 本論文的研究內(nèi)容27-30
• 參考文獻30-36
• 第二章 晶體生長36-51
• §2.1 引言36
• §2.2 晶體生長36-41
• §2.2.1 生長裝置37-38
• §2.2.2 晶體生長38-41
• §2.3 晶體物相與結(jié)構(gòu)分析41-49
• §2.3.1 Ba_2TiSi_2O_7晶體的物相與結(jié)構(gòu)41-45
• §2.3.2 黃長石型晶體的物相與結(jié)構(gòu)45-49
• §2.4 本章小結(jié)49-50
• 參考文獻50-51
• 第三章 高溫壓電晶體的熱學性能研究51-65
• §3.1 引言51
• §3.2 比熱51-54
• §3.3 熱膨脹54-57
• §3.4 密度57-58
• §3.5 熱擴散58-60
• §3.6 熱導率60-63
• §3.7 本章小結(jié)63-64
• 參考文獻64-65
• 第四章 硅酸鈦鋇晶體的電學和彈性性能研究65-93
• §4.1 引言65
• §4.2 壓電晶體參數(shù)介紹65-71
• §4.2.1 應力和應變65-66
• §4.2.2 介電性質(zhì)66-67
• §4.2.3 彈性常數(shù)67-68
• §4.2.4 壓電常數(shù)和壓電方程68-70
• §4.2.5 機電耦合系數(shù)70-71
• §4.3 壓電性能測試71-75
• §4.3.1 測試方法71
• §4.3.2 壓電振動模式71-74
• §4.3.3 壓電切型74-75
• §4.4 硅酸鈦鋇晶體的壓電性能75-87
• §4.4.1 壓電切型設(shè)計75-78
• §4.4.2 電彈常數(shù)測試78-79
• §4.4.3 室溫電彈常數(shù)79-83
• §4.4.4 高溫電阻率83-85
• §4.4.5 電彈性能的溫度穩(wěn)定性85-87
• §4.5 本章小結(jié)87-89
• 參考文獻89-93
• 第五章 黃長石型晶體的電學和彈性性能研究93-119
• §5.1 引言93
• §5.2 42m點群晶體壓電方程和切型設(shè)計93-96
• §5.3 室溫電彈性能及其與結(jié)構(gòu)的關(guān)系96-103
• §5.3.1 室溫電彈性能96-98
• §5.3.2 Ca_2MgSi_2O_7、Ca_2Ga_2SiO_7和CaNdGa_3O_7的電彈性能與結(jié)構(gòu)的關(guān)系98-100
• §5.3.3 CaNdGa_3O_7和SrNdGa_3O_7的電彈性能與結(jié)構(gòu)的關(guān)系100-101
• §5.3.4 黃長石型晶體電彈常數(shù)的方向依賴性101-103
• §5.4 電彈性能的溫度穩(wěn)定性103-114
• §5.4.1 高溫電阻率103-105
• §5.4.2 介電性能的溫度穩(wěn)定性105-109
• §5.4.3 彈性常數(shù)的溫度穩(wěn)定性109-112
• §5.4.4 機電耦合系數(shù)和壓電系數(shù)的溫度穩(wěn)定性112-114
• §5.5 本章小結(jié)114-116
• 參考文獻116-119
• 第六章 軟鉍礦型晶體的電學和彈性性能研究119-130
• §6.1 引言119
• §6.2 23點群晶體壓電方程和切型設(shè)計119-121
• §6.3 室溫電彈性能121-124
• §6.3.1 室溫電彈性能121-122
• §6.3.2 壓電系數(shù)的方向依賴性122-124
• §6.4 電彈性能的溫度穩(wěn)定性124-127
• §6.4.1 高溫電阻率124-125
• §6.4.2 電彈常數(shù)的溫度穩(wěn)定性125-127
• §6.5 本章小結(jié)127-128
• 參考文獻128-130
• 第七章 總結(jié)與展望130-134
• §7.1 主要結(jié)論130-132
• §7.2 主要創(chuàng)新點132-133
• §7.3 有待進一步開展的工作133-134
• 致謝134-135
• 攻讀博士學位期間發(fā)表的學術(shù)論文135-137
• 攻讀博士期間獲得的獎勵137-138
• Paper 1138-147
• Paper 2147-155
• 附件155

【參考文獻】

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本文編號：261932