BaO-TiO-,2--SiO-,2-系極性玻璃陶瓷及其薄膜研究.pdf

1、傳統(tǒng)的玻璃晶化過程中，晶核劑或其它一些作用，如分相、旋節(jié)分解等，對玻璃的晶化過程起著主導地位，由此所獲得的產物-玻璃陶瓷的晶粒在宏觀上呈現(xiàn)無序分布的狀態(tài)。但是，材料科學的發(fā)展表明，具有晶粒定向排列結構的材料，在力學、電學和光學性能等方面表現(xiàn)出比傳統(tǒng)陶瓷材料更為優(yōu)異的性能。Ramesh和Schlom在2002年6月《Science》上就鐵電體等一些功能材料的發(fā)展和前景指出，要取得最佳的材料性能，不僅僅需要晶體的晶粒定向生長，而且必須要求晶

2、粒按一定的方式定向生長。目前，控制晶粒定向生長，使之按人們對材料性能的要求在特定的方向實現(xiàn)晶粒定向結構，已成為當前材料科學中的一個重要研究課題，也是材料設計的一個有力手段。 鋇鈦硅石(Ba2TiSi2O8)屬于四方晶系，空間群為C24V-P4bm，c軸為晶體的極軸，軸比a/c為1：0.611。該晶體結構中，Si離子以[Si2O7]雙四面體形式存在；Ti4+的配位數(shù)為5，位于四方錐[TiO5]的中心；[Si2O7]和[TiO5]以

3、頂點相連的方式構成層狀結構；Ba2+的配位數(shù)為10，位于層間。鋇鈦硅石由于具有特殊的5配位[TiO5]氧多面體和層狀結構，引起人們極大的注意。它具有特殊的壓電特性：較高的壓電系數(shù)d33和d31都是正值，因此其壓電優(yōu)值因子較高，作為高靈敏度的換能接收器，有較高的應用價值；穩(wěn)定的壓電和介電特性，在875K以下的溫度范圍內，其介電、壓電和機電性能基本保持不變。在聲表面波方面，較高的耦合系數(shù)，低的延遲溫度系數(shù)，器件上的應用前景，受到人們的特別關

4、注。Ba2TiSi2O8晶體曾引起了人們的熱情關注，而由這種極性晶體的微晶與殘余玻璃相以(1-3)相復合構成的極性定向玻璃陶瓷也得到了研究者的重視。著名的鐵電物理學家、美國PennsylvaniaStateUniversity資深教授Cross在Appl.Phys.Lett.上評論極性玻璃陶瓷的出現(xiàn)，是“為壓電材料家族添加了新的成員，提供了一種新的制備方法”。 本論文工作以Ba2TiSi2O8為研究對象，通過特殊恒溫場晶粒定向生

5、長工藝，制備了具有晶粒定向結構的Ba2TiSi2O8極性玻璃陶瓷，研究了添加氧化物對玻璃陶瓷的微觀結構、形貌及壓電性能的影響。同時采用濺射和溶膠凝膠方法，研究了制備工藝條件對薄膜微觀結構和晶粒定向程度的影響，為開展壓電薄膜器件方面的研究奠定了一定的基礎。 本文主要的研究工作進展如下：1.根據(jù)玻璃形成能力和玻璃陶瓷壓電性能的要求，分析了玻璃網絡形成體氧化物對玻璃形成能力、主晶相和壓電性能等的影響，確定了合理的基礎玻璃組成，并討論了

6、添加氧化物對極性玻璃陶瓷的微觀結構和壓電性能的影響。 2.針對恒溫場晶粒定向生長工藝，從玻璃晶化理論上分析了影響玻璃定向生長的主要因素，討論了成核溫度對晶粒定向結構的影響，確定了合理的玻璃成核溫度；玻璃陶瓷性能研究的結果表明，適宜的成核溫度，是獲得良好的晶粒定向程度和高的壓電性能的玻璃陶瓷的必要條件。 3.通過差熱分析，利用Johnson-Mehl-Avrami方程，得到該玻璃體系的析晶活化能為238kJ/mol，Avr

7、ami指數(shù)接近于3。這一結果表明，該體系玻璃的晶化過程是一個晶核數(shù)目固定的界面控制過程。因此，控制表面晶化過程，是恒溫場晶粒定向生長過程的主要關鍵。 4.通過建立極性微晶的偶極子模型，提出了恒溫場晶粒定向生長過程的內生靜電場誘導生長機制。依據(jù)所提出的微晶偶極子模型，計算了微晶前沿內生靜電場分布和晶體生長活化能的變化規(guī)律。該機制較好地解決了傳統(tǒng)的梯溫場晶粒定向生長理論在解釋恒溫場工藝晶粒定向生長過程上的難點，并可以定性地解釋極性玻

8、璃陶瓷中針狀晶粒的形成原因。 5.采用磁控濺射技術制備了Ba2TiSi2O8薄膜。系統(tǒng)地研究了濺射條件對薄膜濺射速率的影響，分析了濺射氣壓對薄膜組成、微觀結構和定向程度的影響，獲得了具有一定的定向程度的Ba2TiSi2O8薄膜。 6.采用溶膠-凝膠薄膜技術在較低的(750℃)溫度下獲得了晶態(tài)Ba2TiSi2O8薄膜。研究了熱處理溫度制度對薄膜結晶結構和定向程度等的影響，并通過對薄膜形成過程的調整獲得了具有較好定向程度的B