弛豫基鈦酸鉛晶體的壓電活性與能量耗散行為研究.pdf

1、基于其超高的壓電活性(壓電系數(shù)d33>2000pCN-1,機(jī)電耦合系數(shù)k33>0.90),二元及三元的弛豫基鈦酸鉛晶體如(1-x)Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-xPbTiO3(PMN-PT)與(1-x-y)Pb(In1/2Nb1/2)O3-yPb(Mg1/3Nb2/3)O3-xPbTiO3(PIN-PMN-PT)在過去十幾年中成為了鐵電領(lǐng)域中研究的熱點(diǎn)材料。這種材料中在包括航空航天和水聲中的眾多應(yīng)用領(lǐng)域中吸引了人們的普遍關(guān)注。具體可

2、應(yīng)用在如諧振器、壓電驅(qū)動器、傳感器,壓電換能器等各種元器件中。極化旋轉(zhuǎn)與鐵電疇壁運(yùn)動被認(rèn)為是控制這類壓電體外在性能的內(nèi)部機(jī)制。對現(xiàn)代電子器件的持續(xù)多樣化需求要求人們深刻理解壓電材料的各種外場響應(yīng),包括壓電性能和能量耗散性能。本文研究并討論了多種晶體相和鐵電疇結(jié)構(gòu)的弛豫基鈦酸鉛晶體的壓電活性和能量耗散行為。
　　首先,本文確定了多種晶體相和鐵電疇結(jié)構(gòu)的弛豫基鈦酸鉛晶體的全矩陣物性。這些數(shù)據(jù)使我們可以準(zhǔn)確計(jì)算材料的內(nèi)稟壓電活性在整體壓

3、電活性中的貢獻(xiàn),并為進(jìn)一步的能量耗散行為和器件設(shè)計(jì)的研究提供數(shù)據(jù)支撐。
　　接下來,本文對具有高機(jī)電耦合系數(shù)的弛豫基鈦酸鉛晶體的能量耗散行為進(jìn)行了理論分析。機(jī)械品質(zhì)因數(shù)Qm和由3dB法測量得到的諧振處/反諧振處的Qr/Qa之間的數(shù)值關(guān)系被明晰下來。對于具有高機(jī)電耦合系數(shù)的壓電材料中的縱向伸縮33-振動模式,大的機(jī)電耦合系數(shù)會引進(jìn)附加的能量耗散,致使Qr遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于Qa。此時(shí),Qa與真正的機(jī)械品質(zhì)因數(shù)Qm相等,而Qr則為“機(jī)電品質(zhì)因數(shù)”

4、。隨之,我們提出了將彈性損耗和壓電損耗從總體的能量耗散中分離出來的有效方法,并表征了多種弛豫基鈦酸鉛晶體的能量耗散性能。
　　隨后,本文分別研究了弛豫基鈦酸鉛晶體的內(nèi)稟和外稟能量耗散行為。對于壓電活性而言,我們僅僅需要考慮材料的熱力學(xué)響應(yīng);但對于能量耗散行為,熱力學(xué)響應(yīng)和動力學(xué)過程均需要被考慮。極化旋轉(zhuǎn)和極化伸縮被認(rèn)為是弛豫基鈦酸鉛晶體中內(nèi)稟貢獻(xiàn)的控制機(jī)制。高的內(nèi)稟能量耗散可解釋為軟質(zhì)極化旋轉(zhuǎn)/伸縮效應(yīng),而低的內(nèi)稟能量耗散可解釋為

5、硬質(zhì)極化旋轉(zhuǎn)/伸縮效應(yīng)。此處,“軟質(zhì)”指的是彈性、介電、壓電響應(yīng)的熱力學(xué)高響應(yīng)態(tài)和動力學(xué)緩慢態(tài);“硬質(zhì)”則指的是熱力學(xué)低響應(yīng)態(tài)和動力學(xué)快速態(tài)。疇壁的運(yùn)動是弛豫基鈦酸鉛晶體的外稟的能量耗散和壓電活性的控制機(jī)制。盡管弛豫基鈦酸鉛晶體的壓電活性被認(rèn)為是內(nèi)稟貢獻(xiàn)主導(dǎo),但多疇晶體中明顯的衰減各向異性行為說明著外稟效應(yīng),即疇的不穩(wěn)定對材料的能量耗散有重要影響。無論是溫度或成分驅(qū)動,只要靠近相界,疇壁運(yùn)動活性將變大,進(jìn)而增加體系的能量耗散。我們詳細(xì)比