论文部分内容阅读
锆钛酸钡钙Ba(Ti0.8Zr0.2)O3-x(Ba0.7Ca0.3)TiO3（简称BZT-xBCT）是一种新型“基于三重临界点准同型相界”的高性能无铅压电材料，其陶瓷压电系数d33高达620pCN-1，能与目前性能最优异的锆钛酸铅PZT陶瓷（d33=500-600pCN-1）相媲美，可广泛应用于航空、信息、传感器等领域。本文利用醋酸盐-钛酸丁酯-醋酸Sol-Gel体系制备了BZT-xBCT粉体和薄膜材料，得到如下结论:
(1)醋酸作为螯合剂与钛原子以二齿桥键配位的形式连接，形成-O-Ti-O-Zr-O-Ti-链状聚合物，Ba2+和Ca2+镶嵌在其中。当热处理温度上升到480℃，凝胶内残余有机物完全分解，网络状结构变成BaCO3/(CaCO3)@TiO2/(ZrO2)核壳结构和BaCO3/(CaCO3)&TiO2/(ZrO2)机械混合两种接触形式的无定形的碎片。核壳结构形式在650℃时已完全反应形成BZT-0.50BCT纳米晶体，而机械混合反应所需的温度较高，通过XRD图谱发现，BaCO3和TiO2的衍射峰直到850℃才完全消失。XRD和Raman结果表明随着烧结温度的升高，BZT-0.50BCT四方相度也随之增大。并且讨论了穿过准同型相界BZT-xBCT(x=0.30-1.00)微观结构的演变，表明在准同型相界处存在铁电（菱方相）-铁电（四方相）相变。
(2)采用spin-coating工艺在Pt(111)/Ti/SiO2/Si(100)衬底上制备BZT-xBCT薄膜。通过溶胶在氧气气氛下的DSC-TG分析和纳米晶体的形成机理，确定了制备薄膜的热处理工艺。所制备的薄膜厚度约为800nm，表面形貌较好，表面均方根粗糙度为5.29nm;平均晶粒尺寸为36.17nm;致密度为92μm-2。
(3)测试BZT-xBCT薄膜的铁电、介电性能，结果显示薄膜具有优异的铁电性能和较好的介电性能。当x=0.50时，薄膜的铁电性能最好，具有最大的剩余极化强度为22.15μC/cm2和相对较低的矫顽场为68.0kV/cm。当频率为1kHz时，BZT-0.50BCT表现出较高的介电常数（εr=1831）和较低的介电损耗损耗(tgδ=0.06);在88℃时介电常数具有极大值对应其居里温度。
(4)对BZT-0.50BZT薄膜的模量、硬度、残余应力进行测试。室温下BZT-0.50BCT薄膜的弹性模量约为151GPa，硬度约为6GPs，接近于PZT薄膜的弹性模量(145±15GPa)和硬度(约为7GPa);同时BZT-0.50BCT薄膜具有较大的残余应力约为1.13GPa。
(5)在溶胶制备过程中通过改变溶剂、加入添加剂，研究其对薄膜微观结构、表面形貌以及铁电性能的影响。实验发现以乙二醇甲醚为溶剂，以乙二醇或者PEG400为添加剂，对薄膜表面形貌都有非常明显的改善，晶粒尺寸变大且分布均匀。在300kV/cm的外加电场下，前者具有最大的剩余极化强度(可达到23.15μC/cm2)和较低的矫顽场(55.5kV/cm)，而后者具有最小的矫顽场(只有39.0kV/cm)和较高的剩余极化强度（可达到17.20μC/cm2）。
总之，本文通过FT-IR、XRD、Raman、DSC-TG等手段构建了BZT-0.50BCT的形成机理，发现从干凝胶到BZT-0.50BCT纳米晶体存在核壳结构和机械混合两种路径。并且随着烧结温度的升高，BZT-0.50BCT四方相度也随之增大。研究了不同成分下BZT-xBCT的结构演变，当x=0.50时，BZT-xBCT在MPB处，存在铁电（菱方相）-铁电（四方相）相变。采用spin-coating工艺制备了BZT-xBCT铁电薄膜，对其微观结构、表面形貌、电学以及力学性能进行了系统的研究。当x=0.5时，薄膜的铁电性能最好(Pr=22.15μC/cm2，Ec=68.0kV/cm)，室温下BZT-0.50BCT薄膜的模量(151GPa)和硬度(6GPa)接近于PZT薄膜。通过更换溶剂、加入添加剂改变溶胶配制工艺，改善了薄膜质量，当以乙二醇为添加剂时薄膜的剩余极化强度最高（达到23.15μC/cm2），当以聚乙二醇400为添加剂时薄膜的矫顽场最小（为39.0kV/cm）。