高温声波换能器用层状钙钛矿材料性能优化研究
深部油气资源的勘探与开发已成为解决当今石油资源短缺的一个重要途径。声波测井仪可用于判断油气井的固实状态,是深部油气资源勘探的重要工具,但应用于声波测井仪的压电换能材料的使用温度不能满足深部勘探的需求。基于单相多铁材料的压电性和磁性研制一种耐高温的新型换能器材料是解决该问题的可能途径。具有层状钙钛矿结构的Ca3Ti2O7材料是具有较高居里温度的新型铁电材料,通过对其进行掺杂可使其具有磁性成为新型的单相多铁材料。为此,本论文系统研究了自掺杂和A、B位掺杂与Ca3Ti2O7基陶瓷微结构和电、磁性能的关系,获得了具有高居里温度、优异电、磁性能的Ca3Ti2O7基多铁材料,并结合第一性原理分析了Ca3Ti2O7基材料的电子结构。取得的主要结果如下:（1）Ca3Ti2O7陶瓷制备工艺优化采用固相反应法制备Ca3Ti2O7陶瓷,采用XRD、SEM、LCR数字电桥、铁电分析仪等研究了烧结工艺对其微结构、介电性和铁电性的影响,结果表明:两步连续烧结工艺（1400oC/12 h+1550oC/12 h）制备的Ca3Ti2O7陶瓷最为致密,平均晶粒尺寸较大,介电性和铁电性最佳（1 kHz下室温介电常数?=70,居里温度高于480°C,室温下剩余极化强度Pr=1.56?C/cm2）。（2）自掺杂与Ca3Ti2O7基陶瓷微结构和电、磁性能的关系采用固相反应法制备出Ca3Ti2O7后,通过空气中退火、“真空封管+单质金属吸氧退火”的方式实现了对Ca3Ti2O7-?陶瓷氧空位的调控,研究了氧空位对其微结构和电、磁性能的影响,结果表明:在空气中退火可以减少Ca3Ti2O7-?陶瓷的氧空位,而“真空封管+单质金属吸氧退火”可显著增加Ca3Ti2O7-?陶瓷的氧空位。相对于氧空位较少的样品,具有较多氧空位的Ca3Ti2O7-?陶瓷室温下的铁电性（Pr=0.61?C/cm2）和磁性（Mr=0.51emu/g）均得到增强,且居里温度高于500°C。通过控制Ca源的摩尔比制备了Ca3-xTi1.5Mn0.5O7系列陶瓷,对其微结构和电、磁性能进行了研究,结果表明:Ca3-x-x Ti1.5Mn0.5O7陶瓷的平均晶粒尺寸受Ca缺位和氧空位的双重影响;由于Ca缺位的引入,介电弛豫行为由Ca3Ti1.5Mn0.5O7陶瓷的Debye弛豫转变为Ca3-xTi1.5Mn0.5O7陶瓷的Maxwell-Wagner弛豫;Ca缺位引入后的陶瓷中并未观察到室温磁性。（3）A、B位掺杂与Ca3Ti2O7基陶瓷微结构和电、磁性能的关系采用固相反应法制备了(Ca1-xSrx)3Ti2O7、Ca3(Ti1-xNbx)2O7、(Ca1-xSrx)3(Ti1-yMny)2O7系列陶瓷,对其微结构和电、磁性能进行了研究,结果表明:A位掺Sr2+时,随着Sr2+量的增加,(Ca1-xSrx)3Ti2O7陶瓷的晶格常数增加,晶粒尺寸减小,介电常数变大,铁电性减弱而且未观察到室温磁性。B位掺Nb5+时,通过优化组成,得到平均晶粒尺寸（约13.24?m）较大、介电常数（?=150）最大、剩余极化强度（Pr=0.25?C/cm2）和剩余磁化强度（Mr=0.003 emu/g）相对较大的Ca3(Ti0.94Nb0.06)2O7陶瓷。A、B位共掺时,随Sr2+、Mn4+量增加,剩余极化强度减小,通过优化组成,得到了剩余磁化强度Mr=0.046 emu/g的(Ca0.8Sr0.2)3(Ti0.95Mn0.05)2O7陶瓷。（4）Ca3Ti2O7基材料的第一性原理研究采用第一性原理分别计算了氧空位位置、Ca缺位位置、Nb5+量对Ca3Ti2O7-?、Ca3-xTi1.5Mn0.5O7、Ca3(Ti1-xNbx)2O7电子结构的影响,结果表明:相比于具有钙钛矿层氧空位的Ca3Ti2O7-?而言,具有盐岩层氧空位的Ca3Ti2O7-?的禁带宽度较小（Eg=1.007 eV）,各个原子的态密度值最小。相比于无Ca缺位的结构,钙钛矿层Ca1缺位会引起晶胞体积减小,盐岩层Ca2缺位引起晶胞体积增加,Ca缺位位置对禁带宽度的影响不大。随着Nb5+量的增加,Ca3(Ti1-xNbx)2O7晶胞体积增加;当x<2/8时,随Nb5+量增加,Ca3(Ti1-xNbx)2O7禁带宽度减小;当x>2/8时,随Nb5+量增加,Ca3(Ti1-xNbx)2O7禁带宽度增加。
- 作者：
- 王凤起
- 学位授予单位：
- 重庆科技学院
- 授予学位：
- 硕士
- 学位年度：
- 2019年
- 导师姓名：
- 蔡苇；黄云钟
- 中图分类号：
- TE927
- 关键词：
- 换能器；Ruddlesden-Popper；自掺杂；A/B位掺杂；第一性原理
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