铁电材料概述.ppt
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1、关于铁电材料概述现在学习的是第1页,共28页报告提纲n概念n发展历史n制备方法n现有铁电材料的优缺点以及研究方向n铁电材料的应用现在学习的是第2页,共28页压电材料、铁电材料n压电材料压电材料是实现机械能与电能相互转换的功能材料.n压电材料主要有四种压电材料主要有四种:压电单晶、压电陶瓷、压电聚合物及复合压电材料。其中压电陶瓷系列品种众多,应用广泛。n压电效应压电效应:正压电效应和逆压电效应。具有压电效应的材料称为压电材料。n铁电材料铁电材料:在具有压电效应的材料中,具有自发极化,(自发极化包括二部分:一部分来源于离子直接位移;另一部分是由于电子云的形变)n而且其自发极化强度可以因外电场反向而
2、反向,或者在电场作用下不可反向但可以重取向的晶体。铁电体中的自发极化有两个或多个可能的取向。所有铁电体都可以通过人工极化使其具有压电性,但具有压电性的并不一定都是铁电体。声-热-电-光-磁-力等性质的交叉效应在铁电体中普遍存在。现在学习的是第3页,共28页1.1 铁电体的基本物理特性铁电体的基本物理特性 1 自发极化与铁电体自发极化与铁电体诱导极化:诱导极化:E0 P电滞回线:电滞回线:Pr称为铁电体的剩余极化强度Ec为矫顽场 电场在正负饱和值之间循环一周时,形成了铁电电滞回线。现在学习的是第4页,共28页关于铁电的发展历史,大体可以分为以下四个阶段n罗息盐时期发现铁电性nKDP时期铁电热力学
3、理论n钙钛矿时期铁电软模理论n铁电薄膜及器件时期小型化(铁电液晶、聚合物复合材料、薄膜材料和异质结构等非均匀系统)现在学习的是第5页,共28页(1)罗息盐n罗息盐即酒石酸钾钠(NaKC4H4064H20)是上千种铁电体中最早被发现的晶体之一它存在上、下两个居里点,297K和255K。在这两个温度之间,它处于铁电相。大于297K或小于255K时处于顺电相。六方结构。现在学习的是第6页,共28页(2)KDP时期KH2PO4KH2PO4的值却高达30在理论研究方面,Mller 首先将热力学理论应用于铁电体。VL Ginsburg将郎道(Landau)相变理论应用于KH2PO4型铁电体,并迈出了将这一
4、理论应用于更一般情况的第一步德文希尔(De-Vonshire)将其进行完善,发展为今天仍之有效的郎道-德文希尔理论现在学习的是第7页,共28页(3)钙钛矿型材料ABO3n钛酸钡(钛酸钡(BaTiOBaTiO3 3)钛酸钡陶瓷是目前应用最广泛和研究较透彻的一种铁电材料。钛酸钡是第一个不含氢的氧化物铁电体,由于其性能优良,化学上,热学上的稳定性好,工艺简便,很快被用作介电和压电元件。n钙钛矿结构:有BaTiO3(钛酸钡)、KNbO3、KTaO3、LiNbO3 PZT(Pb(Zr Ti)03)、PLZT(铅、镧、锆、钛),至 20 世纪 50 年代末,大约有 100 种化合物被发现具有铁电性。截至1
5、990 年,已知的铁电体约为 250 种.通式ABO3 其空间结构如右图现在学习的是第8页,共28页铁电材料的分类n(1)结晶化学分类)结晶化学分类n含有氢键的晶体:磷酸二氢钾(KDP)、三甘氨酸硫酸盐(TGS)、罗息盐(RS)等。这类晶体通常是从水溶液中生长出来的,故常被称为水溶性铁电体,又叫软铁电体;n双氧化物晶体:如BaTiO3(BaO-TiO2)、KNbO3(K2O-Nb2O5)、LiNbO3(Li2O-Nb2O5)等,这类晶体是从高温熔体或熔盐中生长出来的,又称为硬铁电体它们可以归结为ABO3型,Ba2+,K+、Na+离子处于A位置,而Ti4+、Nb6+、Ta6+离子则处于B位置。n
6、(2)按极化轴多少分类)按极化轴多少分类n沿一个晶轴方向极化的铁电体:罗息盐(RS)、KDP等;n沿几个晶轴方向极化的铁电晶体:BaTiO3、Cd2Nb2O7等。n(3)按照在非铁电相时有无对称中心分类)按照在非铁电相时有无对称中心分类n非铁电相无对称中心:钽铌酸钾(KTN)和磷酸二氢钾(KDP)族的晶体。由于无对称中心的晶体一般是压电晶体,故它们都是具有压电效应的晶体;n非铁电相时有对称中心:不具有压电效应,如BaTiO3、TGS(硫酸三甘肽)以及与它们具有相同类型的晶体。n(4)按相转变的微观机构分类)按相转变的微观机构分类n(5)“维度模型维度模型”分类法分类法现在学习的是第9页,共28
7、页铁电材料的制备方法n1 固相反应法n2 溶胶一 凝胶法n3 熔盐法n4 喷雾分解法n5 柠檬酸前驱法n6 水热法n7 无卤素法n8 低温液相法n9现在学习的是第10页,共28页铁电薄膜的主要制备方法现在学习的是第11页,共28页两种主要制备方法(实验室可以做的)n块状陶瓷的常用方法固相烧结工艺主要步骤:配料 混合 预烧 粉碎 成型 排胶 烧结 被电极 测试n薄膜材料的主要制备方法溶胶凝胶法主要步骤:基片清洁 溶胶的制备 匀胶 干燥 晶化现在学习的是第12页,共28页二、二、Bi6FeCrTi3O18样品制备及性能测试样品制备及性能测试称料称料研磨、造粒、再研磨研磨、造粒、再研磨压片压片烧结烧
8、结预合成预合成球磨抽料烘烤球磨抽料烘烤完成样品制备完成样品制备BiBi6 6FeCrTiFeCrTi3 3O O1818样品的制备以及各性能测量的流程图样品的制备以及各性能测量的流程图 微观结构测量表面形貌测量铁磁性能测量铁电性测量现在学习的是第13页,共28页块状陶瓷的常用方法固相烧结工艺具体流程(以制备层状钙钛矿为例)n(1)称料 n 1.烘料:将所需原料放到80下烘干24hn 2.按照化学式计算各原料所需质量,用电子电平称量,置于培养皿中。n(2)球磨:将烘干好的料放入球磨罐里,再注入无水酒精至淹没料,将球磨罐放到球磨机器上固定好,设置转速,时间24h(注意球磨罐必须烘干)。n(3)抽料
9、:将球磨好的料,注入无水酒精,搅拌均匀,用洗净的针筒抽料,放入干烧杯里,如此重复一直等球磨罐里没有剩余料为止(玻璃针筒的清洗分为:布擦,水洗,硝酸浸泡超声10min,水洗,乙醇清洗,吹干)。n(4)烘烤:将有料的烧杯盖上烧杯盖放入烘烤箱里,在约100下烘24h,去除酒精。n(5)预合成:将烘干的样品取出,研磨成粉末(大约20min)后装入培养皿中。再将培养皿中的样品粉末放入洁净干燥的坩埚中压实压平,然后放入高温炉中烧结。升温8h从室温到800,800保温8h,最后降温到100左右取出。将预合成的料取出后研磨,至粉末状,大约4050 min,然后将磨耗的料放入球磨罐再次球磨48h。重复(3)-(
10、5)步骤。n(6)研磨:在烘烤好的样品放入研钵里,研磨20-30min,分三次滴入适量的黏合剂(之前须将黏合剂在80左右烘一下,每次滴加十三滴,分三次共三十九滴,每次滴完后研磨10min),然后将所有的料压成大片(尽量压厚)放置8h再磨碎过筛。n(7)压片:用压片机将样品压成大片(厚度约2 mm)和小片(厚度小于2 mm)。n(8)排塑:因为在研磨时加入了粘合剂,所以要把其中的有机物去掉。放入高温箱式电炉中升温6h升到500(使用6h慢速升温主要是为了防止有机物还没有挥发就碳化),再保温4h。n(9)烧结:将排塑后的样品放到高温箱式电炉中,用8h分别升温至980、1000温度后再保温4h,另一
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