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无铅单晶KLTN横向长度振动模式压电性能研究

作　者: 李均
导　师: 周忠祥
学　校: 哈尔滨工业大学
专　业: 光学
关键词: 无铅铁电压电材料 钽铌酸钾锂晶体 介电温谱 横向长度振动模式压电参数 铁电参数
分类号: TB34
类　型: 硕士论文
年　份: 2009年
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内容摘要


铁电压电材料因其优异的性能在军事、医学、通讯等领域中得到了广泛的应用。目前使用的铁电压电材料主要以传统的锆钛酸铅陶瓷为主,但它的含铅重量达到60%以上。近年来,铅由于其毒性已经被很多材料研究及商业应用排除在外,更多的关注投向了无铅压电材料。在众多的无铅材料中,铌酸钾钠(简称KNN)表现出较高的铁电压电性能。目前,KNN基铁电压电材料的研究主要集中于陶瓷材料,而对于KNN基铁电压电单晶的研究报道很少。铁电单晶的结构比陶瓷简单,便于进行随晶体取向变化物理机理的研究;更为重要的是,铁电单晶的介电、压电、机电耦合、铁电等性能都远远超出同组分的陶瓷材料,因此对无铅铁电单晶的研究具有学术和应用的双重意义。因此,本文以钽铌酸钾锂晶体作为研究对象开展系统研究。在本文中,我们先进行了钽铌酸钾锂晶体的生长和样品制备,然后对它的介电温谱、压电参数和电滞回线等进行了研究:(1)采用顶部籽晶法生长了钽铌酸钾锂晶体,然后经过定向、切割、研磨、镀制电极以及单畴化处理进行了压电振子的制备;(2)对钽铌酸钾锂晶体的介电温谱进行了测定,得到其居里温度和四方正交铁电相变温度,并对驰豫特性进行了定性分析和定量的分析,得到了钽铌酸钾锂晶体的驰豫因子及变化规律;(3)对钽铌酸钾锂晶体的横向长度伸缩振动模式压电参数进行了理论推导和实验测试,得到横向长度伸缩振动模式、厚度振动模式的压电常数和机电耦合系数;对钽铌酸钾锂晶体的电滞回线进行了测定,得到矫顽场、剩余极化强度以及最大极化强度,并对结果与其他无铅铁电压电材料的相关数据进行了对比和分析。各项性能指标都优于已有的材料,所以钽铌酸钾锂晶体是一种性能优良的无铅铁电压电材料。鉴于优越的压电、铁电性能,钽铌酸钾锂晶体可在如超声换能器、压电驱动器等器件方面得到很好的应用。

全文目录


摘要  4-5
Abstract  5-9
第1章 绪论  9-20
  1.1 课题背景及研究的目的和意义  9
  1.2 铌酸盐系无铅压电陶瓷及器件应用进展  9-16
    1.2.1 单一铌酸盐形成的多元系固溶体  10-12
    1.2.2 铌酸盐与其他结构化合物形成的多元固溶体  12-14
    1.2.3 铌酸盐系压电陶瓷的器件应用  14-16
  1.3 提高压电性能的方法  16-18
    1.3.1 铁电压电单晶的开发与研究  16
    1.3.2 准同型相界的实验发现及应用  16-17
    1.3.3 多晶相变的实验发现  17-18
    1.3.4 人造畴工程的提出  18
  1.4 本文研究对象和研究的内容  18-20
    1.4.1 选择压电单晶钽铌酸钾锂的根据  18-19
    1.4.2 研究内容及对象  19-20
第2章 钽铌酸钾锂晶体的介电特性  20-31
  2.1 引言  20
  2.2 钽铌酸钾锂晶体的制备  20-21
    2.2.1 晶体的生长  20
    2.2.2 样品的制作  20-21
    2.2.3 镀制电极  21
  2.3 钽铌酸钾锂晶体的介电测量平台搭建  21-23
    2.3.1 介电常数测量方法  21-22
    2.3.2 介电温谱测量系统  22-23
  2.4 介电温谱测量结果及分析  23-30
    2.4.1 钽铌酸钾锂晶体的介电温谱  23-25
    2.4.2 钽铌酸钾锂晶体的驰豫性讨论  25-30
  2.5 本章小结  30-31
第3章 KLTN 晶体的横向长度振动模式压电参数  31-53
  3.1 引言  31
  3.2 钽铌酸钾锂晶体压电振子  31-33
    3.2.1 钽铌酸钾锂晶体压电振子  31-32
    3.2.2 单畴化处理  32-33
  3.3 钽铌酸钾锂晶体的压电测量原理  33-39
    3.3.1 钽铌酸钾锂晶体的压电方程  33-37
    3.3.2 钽铌酸钾锂晶体的机电耦合系数  37-39
  3.4 压电性能测试系统搭建  39-41
  3.5 钽铌酸钾锂晶体的压电参数  41-52
    3.5.1 钽铌酸钾锂晶体的压电常数d33  41-42
    3.5.2 钽铌酸钾锂晶体横向长度振动模式压电参数  42-48
    3.5.3 钽铌酸钾锂晶体厚度振动模式压电参数  48-52
  3.6 本章小结  52-53
第4章 钽铌酸钾锂晶体的铁电参数  53-62
  4.1 引言  53
  4.2 钽铌酸钾锂晶体的铁电参数测量方法  53-56
    4.2.1 电滞回线的特征性能  54-55
    4.2.2 钽铌酸钾锂晶体电滞回线的测量  55-56
  4.3 钽铌酸钾锂晶体铁电参数测试  56-61
    4.3.1 铁电测试系统  56-57
    4.3.2 铁电参数测试结果及分析  57-61
  4.4 本章小结  61-62
结论  62-63
参考文献  63-69
攻读学位期间发表的学术论文  69-71
致谢  71

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中图分类: > 工业技术 > 一般工业技术 > 工程材料学 > 功能材料
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