透明铁电陶瓷电致伸缩性能研究

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变形镜是自适应光调制器件之一,采用陶瓷作为微促动器、玻璃作为光传输媒介,通过陶瓷形变促使玻璃形变达到光的相位补偿。目前国内所使用的变形镜,还存在着构造复杂、材料易老化、使用时需要预极化等缺点。针对以上问题,研究者不断开发应用于变形镜的新型材料。锆钛酸铅镧(PLZT)陶瓷是一类具有良好电致伸缩性能的透明铁电陶瓷。用通氧热压烧结方法制备的PLZT系列陶瓷具有良好透光性、高折射率可作为光传输媒介。PLZT陶瓷材料的电致伸缩性能优异,较低的驱动电场下所获得的电致伸缩应变已满足微促动器、微位移器的应用标准。因此,透明PLZT电致伸缩陶瓷可用作新型变形镜的关键功能材料。本论文为进一步优化PLZT陶瓷材料的电致伸缩性能,提高电致伸缩应变,论文选取PLZT(9/65/35)作为研究对象进行掺杂改性研究。选择Ba2+、Bi3+、Eu3+与Sn4+离子对PLZT(9/65/35)掺杂,制备出Ba:PLZT、Bi:PLZT、Eu:PLZT及PLZST系列陶瓷,系统研究分析了不同离子掺杂对PLZT(9/65/35)陶瓷样品的相结构、介电性能、铁电性能及电致伸缩性能的作用规律。采用通氧热压烧结法制备的Ba:PLZT、Bi:PLZT、Eu:PLZT系列陶瓷。系统研究了三种不同离子掺杂对PLZT(9/65/35)陶瓷材料的相结构、介电性能、铁电性能及电致伸缩性能,计算了材料的电致伸缩系数(Q33)和电致伸缩滞后水平(η)。分析认为,三种掺杂离子都是进入PLZT(9/65/35)陶瓷ABO3钙钛矿结构中的A位。研究发现,在实验范围内三种离子的A位掺杂均没有显著提高PLZT(9/65/35)陶瓷的电致伸缩应变(S33)和电致伸缩系数(Q33),但Eu3+离子的A位掺杂能有效降低PLZT(9/65/35)陶瓷材料的电致伸缩滞后水平(η),滞后水平由30.66%降至16.06%。选取与Zr/Ti价态相同、离子半径相接近的Sn4+离子对PLZT(9/65/35)陶瓷掺杂改性,研究了不同Sn4+掺杂质量百分比,对PLZST陶瓷材料的微区结构、电学性能、透光率、电致伸缩性能及电致伸缩系数(Q33)的影响,分析了内在作用机制。分析认为,Sn4+进入PZLST陶瓷ABO3钙钛矿结构中的B位。所有PLZST陶瓷样品均显示出良好的光学透过率。随着Sn4+掺杂量增加(0.0-0.6wt%),PZLST陶瓷样品的晶粒尺寸逐渐减小,介电常数逐渐减小,材料铁电性能基本保持不变,而电致伸缩应变(S33)与电致伸缩系数(Q33)逐渐增加。表明PLZST陶瓷材料电致伸缩系数(Q33)的大小与材料处于铁电相、反铁电相等影响不大,主要受B位复合离子排布的影响,这一结果与“咔哒”空间理论相符。当SnO2掺杂量为0.6wt%时,PLZST陶瓷样品的电致伸缩应变(S33)与电致伸缩系数(Q33)分别达到0.29%、0.027m4/C2,比未掺杂PLZT(9/65/35)陶瓷样品(电致伸缩应变S33为0.26%,电致伸缩系数Q33为0.024m4/C2)略有提高。
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