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LiTaO_3电畴结构及其对Al_2O_3/LiTaO_3复合陶瓷性能的影响

张有凤  
【摘要】: 本文采用氮气保护热压烧结制备出了纯LiTaO_3压电陶瓷和Al_2O_3/LiTaO_3(简称ALT)复合陶瓷,对LiTaO_3晶粒内的电畴结构进行了观察,深入探讨了LiTaO_3种类、第二相Al_2O_3含量和两相晶粒尺寸对该LiTaO_3晶粒的电畴结构、类型和数量的影响,提出并验证了该系复合陶瓷中非180o电畴形成机理并给出了电畴结构的原子模型;同时系统研究了电畴结构特征、Al_2O_3含量及脱碳与极化处理等对复合陶瓷的显微组织、力学性能和电学性能的影响规律。 TEM观察确认LiTaO_3单晶中只存在一种电畴结构—180o电畴,而ALT系列复合陶瓷中都同时存在着180o电畴和非180o电畴两种结构类型,且随第二相Al_2O_3颗粒含量的增多,ALT材料中非180o电畴结构增多,180o电畴逐渐减少。LiTaO_3晶粒内的电畴结构与原始粉末的晶粒尺寸无关。周围Al_2O_3颗粒的强烈约束及材料制备冷却过程中产生的应力作用是使得ALT复合陶瓷中出现LiTaO_3单晶中不可能形成的非180o电畴结构的原因。LiTaO_3的晶体结构决定其不能通过滑移的方式进行变形,因此产生了类似于孪生结构的非对称性电畴结构。这种非180o电畴结构属于孪晶面为{1012}的孪晶结构,根据孪晶结构的原子模型,确认这种非180o电畴为67o电畴结构。 1300oC/25MPa热压烧结制备的纯LiTaO_3陶瓷的烧结致密度很低,只有91.5%,热压压力增至35MPa,陶瓷材料的致密度显著提高,达到了97%。1300oC氮气保护热压烧结制备的ALT复合陶瓷(Al_2O_3体积百分含量分别为:5、10、15和20)致密度均在99.5%以上。ALT复合陶瓷Al_2O_3/LiTaO_3界面结合很好,1300oC氮气保护热压烧结ALT复合陶瓷的TEM形貌像可以看出, Al_2O_3在基体中均匀地分布,并处于LiTaO_3基体的晶界上,两相的晶界上有少量的晶间相Ta2O5存在。ALT复合陶瓷力学性能显著改善,抗弯强度、断裂韧性、弹性模量、维氏硬度均随Al_2O_3含量的增加而增大,且变化趋势几乎完全一致,即少量Al_2O_3对LiTaO_3即可起到非常显著的强韧化效果,如5ALT复合陶瓷的抗弯强度和断裂韧性分别为纯LiTaO_3陶瓷的4.5和6.0倍。LiTaO_3晶粒内部电畴结构表现为台阶式形貌特征。基体LiTaO_3晶粒为穿晶断裂,裂纹遇到Al_2O_3晶粒呈现沿Al_2O_3/LiTaO_3界面开裂特征。 ALT复合陶瓷的致密度和脱碳处理对材料的介电性能有较大的影响。在不同的频率下(40Hz~106Hz),随着Al_2O_3含量的增加材料的介电常数和介电损耗都增加,但是少量Al_2O_3(5vol%)既提高了材料的介电常数同时又降低其介电损耗。ALT复合陶瓷的居里温度随Al_2O_3含量(20vol%)提高先升高然后逐渐降低。ALT复合陶瓷随频率的升高介电常数的温谱曲线呈现介电弥散现象。 在200oC、电场强度6000V/mm下极化处理5min后,纯LiTaO_3压电陶瓷和ALT复合陶瓷的d33值都约为2×10-12C/N。极化温度和场强对材料极化处理效果影响很大,在220oC、电场7000V/mm下极化处理5min后,ALT复合陶瓷的压电常数d33值为5×10-12C/N,已经达到LiTaO_3单晶的50%左右。


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