多场调控Ba(ZrxTi1-x)O3固溶体相变及多卡效应的理论研究

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Ba(ZrxTi1-x)O3固溶体由于具有良好的介电、压电、热释电和铁电性质,因而被广泛用来制造微波谐振器、压电换能器、红外探测器及铁电随机存储器等。电场与力场对Ba(ZrxTi1-x)O3固溶体相变、介电、压电以及各种热效应有着显著的影响。本文在朗道德文希尔热力学理论的基础上,研究了电场及力场对Ba(ZrxTi1-x)O3(x=0,x=0.1,x=0.2)固溶体的相变及物理性能的影响,并利用唯象理论进一步研究了材料的电卡、弹卡、压卡及多卡效应。主要研究内容及结果如下:1.BaTiO3材料在[011]与[111]方向电场的诱导下出现了单斜MA、MB与MC相,并且发生了循环的相变,正交O相与三方R相均出现了两次,在相变过程中ε22与d33得到了显著的提升,而对于Ba(Zr0.1Ti0.9)O3与Ba(Zr0.2Ti0.8)O3材料来说并未出现循环的相变。在单轴拉应力的诱导下,三种组分的材料均出现了单斜相且它们的铁电四方相区拓宽了,它们的居里温度均有所提高。三种组分的材料在静水压的诱导下并未出现单斜相,并且它们的介电与压电特性未有太大改变。2.三种组分的固溶体材料在电场及力场的调控下均出现了较大的绝热温变。BaTiO3在E=10MV/m方向为[001]及[011]的电场下出现了负电卡,而[111]方向下仅出现正电卡,且在室温附近的电卡达到了约2.6K。Ba(Zr0.1Ti0.9)O3在1.5GPa的静水压下,温度在350K附近时的压卡的值达到了约4.7K。随着单轴拉伸应力的增加三种组分的材料的弹卡值也随之增加,但是弹卡强度却逐渐减小。三种组分的材料在静水压的诱导下室温附近的绝热温变也得到了显著的提升,这对于固态制冷有着十分重要的作用。3.在200MPa单轴拉伸应力与E=10MV/m电场共同作用下,BaTiO3在铁电-顺电相变温度附近[011]方向下的绝热温变约有3.6K,且绝热温变区间也达到了约150K。在1.5GPa静水压与E=10MV/m电场的共同作用下,BaTiO3在室温附近,[111]方向下约有4.5K的绝热温变,而Ba(Zr0.1Ti0.9)O3材料在350K附近的绝热温变也达到了约5.2K。相较于单独的热效应,无论是单轴拉应力与电场还是静水压与电场共同作用,三种组分材料的绝热温变均有了较大的提升,并且在室温附近的绝热温变区间也有了较大的扩展,这些预示着可以通过多场共同作用来调节Ba(ZrxTi1-x)O3固溶体材料的热电性能来提高制冷效率。
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