LiTaO3电畴结构及其对Al2O3/LiTaO3复合陶瓷性能的影响

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本文采用氮气保护热压烧结制备出了纯LiTaO3压电陶瓷和Al2O3/LiTaO3(简称ALT)复合陶瓷,对LiTaO3晶粒内的电畴结构进行了观察,深入探讨了LiTaO3种类、第二相Al2O3含量和两相晶粒尺寸对该LiTaO3晶粒的电畴结构、类型和数量的影响,提出并验证了该系复合陶瓷中非180o电畴形成机理并给出了电畴结构的原子模型;同时系统研究了电畴结构特征、Al2O3含量及脱碳与极化处理等对复合陶瓷的显微组织、力学性能和电学性能的影响规律。TEM观察确认LiTaO3单晶中只存在一种电畴结构—180o电畴,而ALT系列复合陶瓷中都同时存在着180o电畴和非180o电畴两种结构类型,且随第二相Al2O3颗粒含量的增多,ALT材料中非180o电畴结构增多,180o电畴逐渐减少。LiTaO3晶粒内的电畴结构与原始粉末的晶粒尺寸无关。周围Al2O3颗粒的强烈约束及材料制备冷却过程中产生的应力作用是使得ALT复合陶瓷中出现LiTaO3单晶中不可能形成的非180o电畴结构的原因。LiTaO3的晶体结构决定其不能通过滑移的方式进行变形,因此产生了类似于孪生结构的非对称性电畴结构。这种非180o电畴结构属于孪晶面为{1012}的孪晶结构,根据孪晶结构的原子模型,确认这种非180o电畴为67o电畴结构。1300oC/25MPa热压烧结制备的纯LiTaO3陶瓷的烧结致密度很低,只有91.5%,热压压力增至35MPa,陶瓷材料的致密度显著提高,达到了97%。1300oC氮气保护热压烧结制备的ALT复合陶瓷(Al2O3体积百分含量分别为:5、10、15和20)致密度均在99.5%以上。ALT复合陶瓷Al2O3/LiTaO3界面结合很好,1300oC氮气保护热压烧结ALT复合陶瓷的TEM形貌像可以看出, Al2O3在基体中均匀地分布,并处于LiTaO3基体的晶界上,两相的晶界上有少量的晶间相Ta2O5存在。ALT复合陶瓷力学性能显著改善,抗弯强度、断裂韧性、弹性模量、维氏硬度均随Al2O3含量的增加而增大,且变化趋势几乎完全一致,即少量Al2O3对LiTaO3即可起到非常显著的强韧化效果,如5ALT复合陶瓷的抗弯强度和断裂韧性分别为纯LiTaO3陶瓷的4.5和6.0倍。LiTaO3晶粒内部电畴结构表现为台阶式形貌特征。基体LiTaO3晶粒为穿晶断裂,裂纹遇到Al2O3晶粒呈现沿Al2O3/LiTaO3界面开裂特征。ALT复合陶瓷的致密度和脱碳处理对材料的介电性能有较大的影响。在不同的频率下(40Hz~106Hz),随着Al2O3含量的增加材料的介电常数和介电损耗都增加,但是少量Al2O3(5vol%)既提高了材料的介电常数同时又降低其介电损耗。ALT复合陶瓷的居里温度随Al2O3含量(<20vol%)提高先升高然后逐渐降低。ALT复合陶瓷随频率的升高介电常数的温谱曲线呈现介电弥散现象。在200oC、电场强度6000V/mm下极化处理5min后,纯LiTaO3压电陶瓷和ALT复合陶瓷的d33值都约为2×10-12C/N。极化温度和场强对材料极化处理效果影响很大,在220oC、电场7000V/mm下极化处理5min后,ALT复合陶瓷的压电常数d33值为5×10-12C/N,已经达到LiTaO3单晶的50%左右。
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