新型顆粒復(fù)合及層狀復(fù)合多鐵性磁電材料的制備與性能研究.pdf

1、多鐵性磁電材料是一種多功能材料，同時兼具鐵電性和鐵磁性。這種材料中的鐵電性和鐵磁性之間又存在磁電耦合效應(yīng)，具有巨大的潛在應(yīng)用價值。
　　本文通過固相合成法制備了粉末復(fù)合多鐵性磁電材料和層狀復(fù)合多鐵性磁電材料，并對復(fù)合材料作了物相分析、微觀形貌分析、電性能、磁性能以及磁電耦合性能分析。研究了材料的組成、結(jié)構(gòu)對材料的電性能、磁性能和磁電耦合性能的影響，找出了磁電復(fù)合材料磁電耦合效應(yīng)的一般規(guī)律。實驗制備的磁電復(fù)合材料和以往相比，性能得到

2、很大的提高。具體內(nèi)容如下：
　　(1)通過固相合成法制備了(KNN-LS-BFO)-CFO磁電復(fù)合陶瓷，發(fā)現(xiàn)由于鐵酸鈷CoFe2O4燒結(jié)溫度較高，與KNN-LS-BFO復(fù)合低溫?zé)Y(jié)后CFO結(jié)晶完整性較差，晶粒較小，導(dǎo)致材料致密度、壓電性能和磁致伸縮性能均較差，因此需要對CFO進行摻雜改性以降低其燒結(jié)溫度來滿足兩相共燒的要求。
　　(2)通過對CFO摻入一定量的CuO進行改性，制備了Co0.85Cu0.15Fe2O4（CCFO

3、）鐵磁性材料，降低其燒結(jié)溫度至1100℃，然后通過固相合成法制備了1-x(KNN-LS-BFO)-xCCFO磁電復(fù)合陶瓷。研究發(fā)現(xiàn)此復(fù)合體系中鐵磁相和鐵電相晶粒均生長完好，但鐵磁相較鐵電相顆粒較??；研究了復(fù)合材料的物相結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)鈣鈦礦結(jié)構(gòu)的KNN-LS-BFO和尖晶石結(jié)構(gòu)的CCFO可以很好的共存，沒有觀察到雜相產(chǎn)生；同時研究了材料的電性能及磁性能，發(fā)現(xiàn)復(fù)合體系中隨著CCFO含量的增加，材料的壓電系數(shù)從119pC/N降低到33pC/N左右

4、，材料的飽和磁致伸縮系數(shù)逐漸增強，從18×10-6增加到51.5×10-6左右。另外，隨著CCFO含量的增加，復(fù)合體系的飽和磁化強度和剩余磁化強度基本呈線性增長，但是復(fù)合材料的磁電電壓系數(shù)卻不隨CCFO的增長呈線性增長，陶瓷樣品的磁電電壓系數(shù)呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢。當(dāng)交變磁場頻率為1kHz，x=0.3時，磁電電壓系數(shù)達到最大值16.4mv·cm-1·Oe-1，另外，隨著外加偏置磁場的增加，各個組成陶瓷樣品的磁電耦合系數(shù)αE均是先增加后減

5、小。
　　(3)通過固相合成法制備了1-x（KNN-LS-BFO）-x CUFO（其中x=0.1、0.2、0.3、0.4、0.5）復(fù)合多鐵性磁電材料。XRD分析表明復(fù)合體系中鈣鈦礦結(jié)構(gòu)的KNN-LS-BFO和尖晶石結(jié)構(gòu)的 CUFO基本能夠很好的共存，但有少許雜相混雜于主晶相中。SEM分析表明復(fù)合體系中鐵電相以及鐵磁相晶粒生長完整性均較好，當(dāng)x從0.1增加到0.5時，材料的壓電系數(shù)從131pC/N減小到22pC/N，飽和磁化強度和剩

6、磁也隨著鐵磁相含量的增加而增加，而飽和磁致伸縮系數(shù)從4.5×10-6增加到13×10-6左右。隨著鐵磁相的增加復(fù)合體系的磁電耦合性能先增加后降低，在交變磁場頻率為1kHz，x=0.2時表現(xiàn)出最大的磁電電壓系數(shù)9.4 mv·cm-1·Oe-1。
　　(4)采用固相反應(yīng)法制備了CuO、CeO2共摻雜的Ba0.85Ca0.15 Zr0.1Ti0.9O3基無鉛壓電陶瓷，分析表明：CuO、CeO2共摻雜的Ba0.85Ca0.15 Zr0.1

7、Ti0.9O3仍可以得到致密度較高的純相鈣鈦礦結(jié)構(gòu)陶瓷，較純相的BCZT其燒結(jié)溫度可降低至1250℃。研究了CuO、CeO2摻雜量對其晶體結(jié)構(gòu)、壓電及介電性能的影響。綜合性能最好的BCZT-0.05wt％CeO2-0.2%CuO的壓電陶瓷體，其壓電系數(shù)d33為370 pC/N、居里溫度Tc為93℃、介電損耗為0.0147。
　　(5)通過高溫熔融粘接法制備了(BCZT-0.05wt%CeO2-0.2%CuO)/CFO層狀復(fù)合磁電材

8、料，復(fù)合材料斷面處的SEM分析表明，使用此方法制備的層狀磁電復(fù)合材料兩界面粘接牢固且沒有大的裂縫出現(xiàn)，鐵電體晶粒與鐵磁體晶粒可以緊密接觸在一起，隨著鐵磁相與鐵電相厚度比例x的增加，復(fù)合材料的飽和磁致伸縮系數(shù)λ逐漸增大，磁致伸縮系數(shù)從67×10-6增加到134×10-6左右，而壓電系數(shù)d33逐漸減小，從340 pC/N減小到205 pC/N。測試了機械諧振頻率下各個復(fù)合體系在不同外加磁場作用下的磁電耦合系數(shù)，隨著復(fù)合材料鐵磁體與鐵電體厚度

9、比的增加，復(fù)合材料的磁電耦合系數(shù)先增加而后降低，當(dāng)鐵磁體與鐵電體厚度比x=2/1，外磁場為1kOe時磁電電壓系數(shù)達到最大值320 mv·cm-1·Oe-1。另外，對于任意厚度比的復(fù)合體，當(dāng)外磁場逐漸增大時，磁電電壓系數(shù)在初始階段迅速增大到一個極大值后逐漸減小并趨于一定值。
　　(6)通過對粉末復(fù)合磁電復(fù)合材料和層狀復(fù)合多鐵性磁電材料的制備工藝與磁電性能研究，我們發(fā)現(xiàn)層狀復(fù)合磁電材料的磁電耦合效應(yīng)比粉末復(fù)合磁電材料的磁電耦合效應(yīng)大的