论文总字数：24726字

摘 要

PMnS-PZN-PZT陶瓷是一种兼具高压电和低损耗特性的压电陶瓷材料，在大功率压电领域具有良好的应用前景。压电材料在实际应用过程中会涉及到复杂的电场环境，外场条件的变化会导致压电材料和器件性能变化甚至失效。然而，PMnS-PZN-PZT陶瓷由于体系较新，目前对其极化反转特性以及不同外场条件下性能的变化规律的研究和认识尚不充分，阻碍了该陶瓷性能的进一步优化以及在相关器件中的应用。

本文基于传统固相合成-烧结方法制备PMnS-PZN-PZT陶瓷，并研究其极化反转特性，揭示不同的电场幅值、频率等条件对PMnS-PZN-PZT陶瓷极化反转的影响，为理解该陶瓷在外场下性能变化的机理，以及相关器件的设计和应用提供参考。

本文主要结果如下：

1. 采用固相合成-烧结工艺制得微观结构均匀致密、物相为较纯钙钛矿相，且电学性能优良的PMnS-PZN-PZT烧结陶瓷。所得陶瓷致密度为98.3%，晶粒尺寸约为1 μm左右，晶体结构以四方钙钛矿相为主。在1 kHz下相对介电常数ε_r为1976，介电损耗因子tan δ为0.25%，压电常数d₃₃为348 pC/N，机电耦合系数k_p为0.605，机械品质因数Q_m为776。结果表明，PMnS-PZN-PZT陶瓷具有高压电和低损耗特性，较适合大功率压电应用。

2. 电场幅值和频率对PMnS-PZN-PZT陶瓷的极化反转有显著的影响。电场幅值的增大能让PMnS-PZN-PZT陶瓷更多的电畴发生翻转，因而矫顽场E_c，可反转的极化强度P_sw和回线面积lt;Agt;增大。电场频率也对PMnS-PZN-PZT陶瓷的极化反转也有一定的影响，并且在不同的电场幅值下，电滞回线参数对频率的依赖关系不同。回线面积lt;Agt;随电场和频率的变化，可以由矫顽场E_c和可反转的极化强度P_sw的乘积近似估算。

3. 获得了PMnS-PZN-PZT陶瓷低电场下（≤ 1.25 kV/mm）可翻转极化P_sw和电滞回线面积lt;Agt;关于电场幅值E_max和频率f之间的标度关系，分别为：和。对于较高电场情形，PMnS-PZN-PZT陶瓷不存在类似的标度关系。

关键词：PMnS-PZN-PZT陶瓷；压电陶瓷；铁电性；电滞回线；极化反转

Abstract

PMnS-PZN-PZT ceramics with high piezoelectric properties and low losses are promising for high-power piezoelectric applications. In these high-power applications, the piezoelectric ceramics may be involved with complex electric field conditions, and the change of external field conditions may lead to the change of the piezoelectric performance of the ceramics and even device failure. As a novel ceramic system, however, the comprehensive understanding of the polarization reversal properties of PMNS-PZN-PZT ceramics are still lacking, which hinders the further optimization and practical applications of the ceramics.

In this study, PMnS-PZN-PZT ceramics were prepared based on the conventional solid-state method. The effects of amplitude and frequency of the driving electric field on the polarization reversal properties of PMnS-PZN-PZT ceramics were investigated. The main results of this study are as follows：

1. PMnS-PZN-PZT ceramics with excellent microstructure and electrical properties were successfully prepared by a process comprised by solid-phase synthesis and sintering. The as-prepared ceramics acquire a high relative density of 98.3%, a grain size of about 1 μm, and the ceramics are predominantly in perovskite phase with tetragonal symmetry. The relative dielectric constant ε_r is 1976, the dielectric loss factor tan δ is 0.25%, the piezoelectric constant d₃₃ is 348 pC/N, the electromechanical coupling coefficient k_p is 0.605, and the mechanical quality factor Qm is 776. The results show that the PMnS-PZN-PZT ceramics with high piezoelectric properties and low losses are suitable for high-power piezoelectric applications.

2. The amplitude and frequency of the driving electric field have significant effects on the polarization reversal properties of PMnS-PZN-PZT ceramics. With the increase of the electric field amplitude, the proportion of switchable domains in PMnS-PZN-PZT ceramics increases, and thus the coercive field E_c, the reversible polarization P_sw and the loop area lt;Agt; all increase. The electric field frequency also has an influence on the polarization reversal of PMnS-PZN-PZT ceramics, and at different electric field amplitudes, the hysteresis loop parameters have different dependence on the frequency. Loop area lt;Agt; can be roughly estimated by the product of coerced field E_c and reversible polarization P_sw.

3. The scaling relations at relative low electric fields (≤ 1.25 kV/mm) are obtained for the reversible polarization P_sw and hysteresis loop area lt;Agt;, which are and , respectively. At higher electric field, no exponential scale relations can be identified for the PMnS-PZN-PZT ceramics.

Key Words: PMnS-PZN-PZT ceramics; piezoelectric ceramics, ferroelectricity; polarization hysteresis loop; polarization reversal

目 录

摘 要 I

Abstract II

目 录 III

第1章 绪论 1

1.1. 压电陶瓷材料及其应用 1

1.1.1. 压电效应与压电材料 1

1.1.2. 压电陶瓷材料 1

1.1.3. 压电陶瓷主要的应用领域 2

1.2. 铁电材料与极化反转 3

1.2.1. 铁电性与压电性之间的关系 3

1.2.2. 铁电材料极化反转的一般过程 4

1.2.3. 铁电材料的回线动力学标度 5

1.3. PMnS-PZN-PZT陶瓷的性能特点与应用潜力 6

1.4. 本论文课题的提出与研究内容 6

第2章 实验方法 7

2.1. PMnS-PZN-PZT陶瓷的制备 7

2.1.1. 原料与设备 7

2.1.2. 材料制备工艺 7

2.2. PMnS-PZN-PZT陶瓷结构与性能表征方法 9

2.2.1. 微观结构表征 9

2.2.2. 电学性能表征 9

2.3. PMnS-PZN-PZT陶瓷极化反转特性实验研究方法 10

第3章 结果与讨论 12

3.1. PMnS-PZN-PZT陶瓷结构与电学性能 12

3.1.1. PMnS-PZN-PZT陶瓷微观结构 12

3.1.2. PMnS-PZN-PZT陶瓷介电与压电性能 12

3.2. PMnS-PZN-PZT陶瓷的电滞回线 14

3.3. 电场幅值和频率对PMnS-PZN-PZT极化反转的影响 15

3.3.1. 电场幅值的影响 15

3.3.2. 电场频率的影响 18

3.4. PMnS-PZN-PZT陶瓷回线动力学标度 21

第4章 结论 23

参考文献 24

致 谢 26

第1章 绪论

1.1. 压电陶瓷材料及其应用

1.1.1. 压电效应与压电材料

压电效应是一种材料效应，是力和电之间的线性耦合关系^[1]。压电效应最早是法国物理学家P.居里和J.居里兄弟在1880年发现的^[2]。当时发现石英晶体被施加一定压力后，晶体表面不仅会产生电荷，而且产生的电荷量与压力成比例。随后，逆压电效应也被发现，即晶体在外电场中时，压电体会收到力而产生形变。压电效应的原理：晶体材料在受到外力时发生形变，如果晶体的对称性较低，晶胞中离子间产生的相对位移让正负电荷中心不重合并产生偶极矩，从而导致晶体材料在宏观上产生极化。反之，压电材料在电场中发生极化时，会因电荷中心的位移导致材料变形^[3]。

压电材料，是指在压力条件作用下会在材料两个端面产生电压现象的晶体材料^[4]。压电效应对材料的对称性有一定要求，在32点群中只有无对称中心的20种点群的晶体材料才有可能有压电性^[5]。压电材料可以分为压电单晶，压电陶瓷，压电薄膜，压电高分子和压电复合材料等几类。其中，压电陶瓷，以其优异的机电耦合功能，以及结构紧凑、响应快等优点，而成为传感器、驱动器等元器件的核心材料，广泛应用于航空航天、电子信息、智能系统等领域^[6]。

1.1.2. 压电陶瓷材料

压电陶瓷材料是指具有压电效应的陶瓷材料，能够实现机械能和电能互相转换，是一类重要的信息功能材料^[7]。压电陶瓷只有在烧结完成并在其端面覆盖电极后，放在强直流电场下进行极化处理后才会在宏观上表现出压电特性，这样原来取向混乱的各自发极化矢量会沿电场方向择优取向。经过极化处理后的压电陶瓷，在电场取消之后，会依然保留一定的宏观剩余极化强度，从而使陶瓷具有了一定的压电性质^[8]。

请支付后下载全文，论文总字数：24726字