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1、文獻(xiàn)綜述文獻(xiàn)綜述應(yīng)用化學(xué)應(yīng)用化學(xué)PIMNT單晶生長(zhǎng)用多晶料的固相合成一、研究背景一、研究背景壓電材料是一類基于壓電效應(yīng)的重要功能材料,主要有壓電晶體與壓電陶瓷兩大類。壓電陶瓷以其工藝成熟、性能參數(shù)可調(diào)、價(jià)格低廉等諸多優(yōu)勢(shì),廣泛應(yīng)用于壓電變壓器、壓電原件、壓電濾波器等領(lǐng)域。經(jīng)過(guò)幾十年的發(fā)展,以鋯鈦酸鉛(PZT)陶瓷為主體的壓電陶瓷已在壓電材料領(lǐng)域占據(jù)了主導(dǎo)地位。通過(guò)摻雜和傳統(tǒng)工藝制備的PZT基陶瓷,其發(fā)展以接近極限,很難再提高其性能。九十
2、年代后期以來(lái),日、美科學(xué)家首先發(fā)現(xiàn)弛豫鐵電單晶鈮鋅酸鉛鈦酸鉛(PZNT)和鈮鎂酸鉛鈦酸鉛(PMNT),準(zhǔn)同型相界成分的PZNT、PMNT具有非常高的壓電常數(shù),跟傳統(tǒng)的壓電材料PZT鐵電陶瓷相比,其壓電常數(shù)d33、機(jī)電耦合系數(shù)K33從600pCN和70%左右分別提高到2000pCN和90%,且其應(yīng)變量高達(dá)1%以上,比通常應(yīng)變?yōu)?.1%左右的壓電材料高1個(gè)數(shù)量級(jí)。馳豫鐵電體是指具有彌散性順電相變的一類特殊鐵電體,主要有鈣鈦礦和鎢青銅礦2大類
3、。鈣鈦礦結(jié)構(gòu)可用化學(xué)式A(B′B″)O3表示,其中A原子通常是Pb,B原子有2種占位,B′為Mg,Zn,F(xiàn)e,Sc,Ni,In等,而B(niǎo)″為Nb,Tb或W。1961年蘇聯(lián)科學(xué)家在Pb(Mg13Nb23)O3(PMN)單晶中首次觀察到了馳豫行為。1969年Nomura等人報(bào)道了在馳豫鐵電體Pb(Zn13Nb23)O3(PZN)與普通鐵電體PbTiO3(PT)形成的贗二元固溶體中存在準(zhǔn)同型相界(mphotropicphaseboundaryM
4、PB)。在準(zhǔn)同型相界附近,馳豫鐵電體具有較大的壓電系數(shù)和較高的機(jī)電耦合系數(shù)。例如,PZN是典型的馳豫鐵電體,其彌散相變溫度在140oC,PT是普通鐵電體,其居里溫度為490oC;這2種鐵電體成分在一定范圍內(nèi)可以形成完全互溶的固溶體,可用(1x)Pb(Zn13Nb23)O3xPbTiO3表示,其準(zhǔn)同型相界成分在x=0.09附近,相應(yīng)的機(jī)電耦合系數(shù)可高達(dá)94%,也就是說(shuō)此材料制作的換能器,理論上其機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能的效率可高達(dá)94%。由于此類
5、弛豫鐵電單晶材料的優(yōu)異性能,使其在醫(yī)學(xué)超聲成像、聲納技術(shù)、工業(yè)無(wú)損探傷等聲電轉(zhuǎn)換技術(shù)領(lǐng)域具有廣闊應(yīng)用前景。PMNT晶體與PINT晶體加以混合,以生長(zhǎng)準(zhǔn)同型相界成分的鈮銦酸鉛鈮鎂酸鉛鈦酸鉛(PIMNT),其化學(xué)式為0.24Pb(In12Nb12)O30.42Pb(Mg12Nb23)O30.34PbTiO3,前期研究表明,PIMNT晶體的析晶特性相似于PMNT晶體而不同于PINT晶體,PIMNT晶體完全可以采用熔體坩堝下降法進(jìn)行生長(zhǎng),其晶體
6、配合料不必添加助熔劑PbO,甚至可以采用PMNT晶體作為籽晶進(jìn)行定向生長(zhǎng),PIMNT晶體的熔點(diǎn)還從PMNT晶體的1302oC降低到1276oC,相應(yīng)的晶體生長(zhǎng)溫度也可以降低26oC左右,這樣有助于減緩熔體對(duì)鉑坩堝的侵蝕作用,因此大尺寸PIMNT晶體生長(zhǎng)的固有困難比PMNT晶體還有所減小。分析測(cè)試表明,所獲PIMNT晶體不僅保持了PMNT晶體的良好壓電特性,而且其居里溫度由PMNT晶體的150oC提高到180oC,即居里溫度介于PMNT晶
7、體和PINT晶體之間,已能滿足絕大部分使用溫度環(huán)境的需要。三、本課題學(xué)術(shù)構(gòu)想三、本課題學(xué)術(shù)構(gòu)想為了滿足PIMNT單晶生長(zhǎng)的需要,本課題擬開(kāi)展PIMNT多晶料制備的研究,研究表明,PIMNT單晶的壓電性能在很大程度上受制于多晶料的組成,為了生長(zhǎng)出高性能的PIMNT單晶,須探究適宜于獲得高壓電性能的多晶料組成,制備出純鈣鈦礦相結(jié)構(gòu)的PIMNT多晶料。本課題擬通過(guò)高溫固相反應(yīng)制備PIMNT多晶料,先期合成出二元前體化合物InNbO4和MgNb
8、2O6,再合成三元固溶體PIMNT多晶料。應(yīng)用X射線粉末衍射、差熱熱重分析等方法,對(duì)所合成前體化合物以及三元固溶體進(jìn)行分析表征;掌握合成前體化合物以及三元固溶體的適當(dāng)工藝條件,合成出成分穩(wěn)定的純鈣鈦礦相結(jié)構(gòu)的PIMNT多晶料;結(jié)合PIMNT單晶生長(zhǎng)實(shí)驗(yàn),驗(yàn)證高溫固相合成制備PIMNT多晶料的有效性。四、參考文獻(xiàn)四、參考文獻(xiàn)[1]師昌緒.材料大辭典[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社2006.[2]張福學(xué)王麗坤.現(xiàn)代壓電學(xué)(下冊(cè))[M].北京:科
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