點(diǎn)缺陷對(duì)鐵性材料相變行為的影響及其相關(guān)現(xiàn)象的研究.pdf

1、鐵性材料是現(xiàn)代社會(huì)不可或缺的一類智能材料。它們的功能性很大程度上依賴于它們所發(fā)生的對(duì)稱破缺相變。另一方面，鐵性材料幾乎所有重要的物理性能都受點(diǎn)缺陷的影響而發(fā)生改變。因此，研究點(diǎn)缺陷對(duì)鐵性材料的相變行為以及對(duì)相變附近的物理性能的影響具有重要的意義。點(diǎn)缺陷對(duì)鐵性材料具有兩方面重要的影響。一是點(diǎn)缺陷摻雜可以很容易改變相變溫度和相變路徑。二是點(diǎn)缺陷能夠誘發(fā)鐵性材料中的時(shí)效行為。依據(jù)前者可以調(diào)整材料的相變行為來開發(fā)高性能材料。依據(jù)后者則需要理解時(shí)

2、效的物理機(jī)制來以便于抑制它的發(fā)生。因此，本研究從以上兩個(gè)角度出發(fā)，研究了點(diǎn)缺陷對(duì)兩種重要的鐵性材料（鐵電材料和鐵彈材料）的相變行為及其相關(guān)物理性能的影響。
　　一方面,本文利用等價(jià)點(diǎn)缺陷摻雜來調(diào)整BaTiO3陶瓷的鐵電相變行為，并開發(fā)高壓電性能材料。首先，通過Sn4+和Ca2+摻雜，設(shè)計(jì)了一個(gè)三相點(diǎn)型準(zhǔn)同型相界體系，Ba(Sn0.12Ti0.88)O3-x(Ba0.7Ca0.3)O3,其壓電系數(shù)d33在室溫可以達(dá)到530pC/N。

3、結(jié)果表明其高壓電性能起源于三相點(diǎn)型準(zhǔn)同型相界處較低的極化各向異性。其次，采用共振法系統(tǒng)測(cè)量了Ba(Zr0.2Ti0.8)O3-50(Ba0.7Ca0.3)TiO3陶瓷樣品所有材料參數(shù)，它是一種具有類似的三相點(diǎn)型準(zhǔn)同型相界的高性能無鉛壓電材料，這將為利用這種材料進(jìn)行器件設(shè)計(jì)和進(jìn)行理論研究提供重要依據(jù)。一些壓電常數(shù)和彈性常數(shù)隨溫度的演化規(guī)律表明了在此相界處的彈性軟化對(duì)高壓電性能具有較大貢獻(xiàn)。再次，通過選擇合適的成分,將Ba(SnTi)O3-

4、x(BaCa)O3體系中四方到三角的相界和Ba(SnxTi1-x)O3體系中四方到正交的相界都調(diào)整到室溫附近，然后對(duì)它們分別在這兩種相界附近的的物理性能進(jìn)行了詳細(xì)的比較。結(jié)果表明，四方到三角的相界對(duì)壓電性能的增強(qiáng)作用比四方到正交的相界要強(qiáng)得多。這種顯著差別可以通過考慮這兩種相界不同的極化翻轉(zhuǎn)和極化延伸，不同的彈性軟化，以及不同的來自于疇界的貢獻(xiàn)來理解。
　　另一方面，本文系統(tǒng)研究了在鐵電材料和鐵彈材料中都存在的點(diǎn)缺陷誘發(fā)時(shí)效效應(yīng)。

5、首先，在K+摻雜(Ba,Sr)TiO3單晶材料中發(fā)現(xiàn)了熱相變循環(huán)中點(diǎn)缺陷誘發(fā)的疇記憶和極化狀態(tài)記憶效應(yīng)。由于這些記憶效應(yīng)在母相保溫后消失，進(jìn)而發(fā)現(xiàn)了順電時(shí)效行為，并建立了唯象模型和原子級(jí)別模型來研究順電時(shí)效的物理機(jī)制。結(jié)果發(fā)現(xiàn),以上兩種新現(xiàn)象都源于點(diǎn)缺陷和晶體對(duì)稱性的相互作用。其次，繼續(xù)研究了點(diǎn)缺陷和晶體對(duì)稱性的相互作用對(duì)鐵彈材料的動(dòng)態(tài)力學(xué)性能的影響。研究發(fā)現(xiàn)材料的儲(chǔ)能模量隨時(shí)效時(shí)間上升而內(nèi)耗則隨時(shí)效時(shí)下降。通過建立對(duì)應(yīng)的朗道模型發(fā)現(xiàn)這

6、種現(xiàn)象可以歸因于點(diǎn)缺陷對(duì)馬氏體相的逐漸穩(wěn)定化最后，綜合以上研究，通過引入一個(gè)“對(duì)稱性適應(yīng)”內(nèi)應(yīng)力場(chǎng)，建立了一個(gè)統(tǒng)一的金茲伯格-朗道模型來描述和理解鐵彈體系中所有的時(shí)效行為和去時(shí)效行為。
　　總之，通過結(jié)合實(shí)驗(yàn)手段和金茲伯格-朗道模擬手段，本文系統(tǒng)的研究了鐵電材料和鐵彈材料中的母相時(shí)效和生成相時(shí)效行為。研究結(jié)果表明這些時(shí)效行為都源自于點(diǎn)缺陷和晶體對(duì)稱性的相互作用。另一方面，通過控制BaTiO3鐵電材料中的點(diǎn)缺陷（等價(jià)摻雜），成功開發(fā)