弛豫基鈦酸鉛晶體的壓電活性與能量耗散行為研究.pdf

1、基于其超高的壓電活性(壓電系數d33>2000pCN-1,機電耦合系數k33>0.90),二元及三元的弛豫基鈦酸鉛晶體如(1-x)Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-xPbTiO3(PMN-PT)與(1-x-y)Pb(In1/2Nb1/2)O3-yPb(Mg1/3Nb2/3)O3-xPbTiO3(PIN-PMN-PT)在過去十幾年中成為了鐵電領域中研究的熱點材料。這種材料中在包括航空航天和水聲中的眾多應用領域中吸引了人們的普遍關注。具體可

2、應用在如諧振器、壓電驅動器、傳感器,壓電換能器等各種元器件中。極化旋轉與鐵電疇壁運動被認為是控制這類壓電體外在性能的內部機制。對現代電子器件的持續(xù)多樣化需求要求人們深刻理解壓電材料的各種外場響應,包括壓電性能和能量耗散性能。本文研究并討論了多種晶體相和鐵電疇結構的弛豫基鈦酸鉛晶體的壓電活性和能量耗散行為。
　　首先,本文確定了多種晶體相和鐵電疇結構的弛豫基鈦酸鉛晶體的全矩陣物性。這些數據使我們可以準確計算材料的內稟壓電活性在整體壓

3、電活性中的貢獻,并為進一步的能量耗散行為和器件設計的研究提供數據支撐。
　　接下來,本文對具有高機電耦合系數的弛豫基鈦酸鉛晶體的能量耗散行為進行了理論分析。機械品質因數Qm和由3dB法測量得到的諧振處/反諧振處的Qr/Qa之間的數值關系被明晰下來。對于具有高機電耦合系數的壓電材料中的縱向伸縮33-振動模式,大的機電耦合系數會引進附加的能量耗散,致使Qr遠遠小于Qa。此時,Qa與真正的機械品質因數Qm相等,而Qr則為“機電品質因數”

4、。隨之,我們提出了將彈性損耗和壓電損耗從總體的能量耗散中分離出來的有效方法,并表征了多種弛豫基鈦酸鉛晶體的能量耗散性能。
　　隨后,本文分別研究了弛豫基鈦酸鉛晶體的內稟和外稟能量耗散行為。對于壓電活性而言,我們僅僅需要考慮材料的熱力學響應;但對于能量耗散行為,熱力學響應和動力學過程均需要被考慮。極化旋轉和極化伸縮被認為是弛豫基鈦酸鉛晶體中內稟貢獻的控制機制。高的內稟能量耗散可解釋為軟質極化旋轉/伸縮效應,而低的內稟能量耗散可解釋為

5、硬質極化旋轉/伸縮效應。此處,“軟質”指的是彈性、介電、壓電響應的熱力學高響應態(tài)和動力學緩慢態(tài);“硬質”則指的是熱力學低響應態(tài)和動力學快速態(tài)。疇壁的運動是弛豫基鈦酸鉛晶體的外稟的能量耗散和壓電活性的控制機制。盡管弛豫基鈦酸鉛晶體的壓電活性被認為是內稟貢獻主導,但多疇晶體中明顯的衰減各向異性行為說明著外稟效應,即疇的不穩(wěn)定對材料的能量耗散有重要影響。無論是溫度或成分驅動,只要靠近相界,疇壁運動活性將變大,進而增加體系的能量耗散。我們詳細比