Sm掺杂PMN-PT陶瓷的铁电和压电性能研究

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弛豫铁电体由于具有超高的介电、压电等特性,广泛应用于换能器、致动器等领域。然而,目前对于弛豫铁电体退极化行为的微观机制、交流驱动场对陶瓷电学性能的影响仍不清楚。本论文通过改进的Swartz和Shrout固相两步合成法制备了一系列Pb0.9625Sm0.025[(Mg1/3Nb2/3)1-xTix]O3陶瓷(0.025Sm-PMN-x PT,其中x=0.28、0.29、0.30和0.31),具有优异的介电和压电性能(d33>970 p C/N,εr>12000)。当x=0.28时,d33=1310p C/N,εr=18400,tanδ=0.056和kp=0.65。为了探究其退极化行为的微观机制,本论文研究了0.025Sm-PMN-x PT陶瓷的相结构、介电、压电和铁电性能随温度的变化。结果发现,(35)f/fr((35)f=fa-fr)最大值温度Ti处宏观极化强度最强。随着温度升高,宏观极化强度减小,εr明显增加,频率色散程度增强,tanδ增大。对于x=0.28,0.29样品,Ti在室温附近,压电性最强。从谐振频率fr最小值温度Tr开始,tanδ降低,Pr下降速度加快;趋近反谐振频率fa最小值温度Td时,(35)f/fr迅速降低。结合以上实验结果可推知,退极化从Tr开始,至Td结束,经历了两个阶段:微畴解耦和纳米畴无序化。为了研究交流驱动场对电学性能的影响,本论文测试了不同交流驱动电场Eac和频率f下0.025Sm-PMN-x PT陶瓷介电性能随温度的变化和场诱应变S-E曲线。研究发现,Eac增大使材料Td和Tm降低,εr增大,频率色散程度增加;随着f增大,同一Eac下Td保持不变,Tm降低;S-E曲线一个循环周期内,滞后较小。实验结果表明,畴壁的钉扎效应较小,弱交流驱动场幅值虽远小于矫顽场,但使微畴易于裂解为纳米畴,Sm-PMN-PT陶瓷易于退极化,不适用于强交流电场或高温下应用。为了研究Sm-PMN-PT陶瓷场诱应变特性及作为致动器的应用效果,本论文研究了0.025Sm-PMN-x PT陶瓷的电滞回线、单极和双极电场诱应变曲线,制作了大场诱应变微位移致动器元件。测试结果发现,Sm-PMN-PT系列陶瓷应变量很大,可达0.116%,归一化Smax/Emax高达1150 pm/V,并且滞后小;以0.025Sm-PMN-0.28PT陶瓷为位移元件制备的场诱应变微位移致动器的堆叠长度越长,输出的位移量越大。在最优条件下,长度为26.24 mm的致动器在室温1 k V驱动电场下产生的位移量可达14.25μm,滞后仅为0.045‰。该研究表明,Sm-PMN-PT系列陶瓷是制备场诱应变微位移致动器的优选材料,以该陶瓷为位移元件制备的场诱应变微位移致动器具有大位移输出、小迟滞和良好的重复稳定性。
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