10.3969/j.issn.1001-2028.2001.03.013
准同型相界附近PMN-PT材料的制备和性能
对铁电菱方(FR)-铁电四方(FT)准同型相界附近的铌镁酸铅(PMN)-钛酸铅(PT)材料制备方法和介电、压电和热释电性能进行了系统的研究：
在合成（1-x）Pb（Mg1/3Nb2/3）O3-xPbTiO3时，易出现烧绿石相。由于MgO的化学活性低，而PbO和Nb2O5的反应活性大大高于MgO，因此在一次性合成PMN-PT材料过程中会形成烧绿石相，得不到纯钙钛矿相，并且导致材料性能下降。本工作采用二步合成法避免了烧绿石相形成，获得了纯钙钛矿相的PMN-PT粉体。在极端条件下，将原料MgO、Nb2O5、PbO和TiO2一起熔融，经过一定时间的扩散反应，通过一步反应即可以得到纯钙钛矿结构的PMN-PT材料，证明钙钛矿结构事实上是一种具有低自由能的稳定态。
PMN-PT系统存在着一条铁电菱方-铁电四方准同型相界，它的化学组成在PT含量为33%附近。在准同型相界附近，PMN-PT陶瓷材料具有较好的压电性能，d33可达540 pC/N，kt、kp分别可达0.45和0.62；在准同型相界附近，极化后的（1-x）PMN-xPT陶瓷材料（0.22 < x < 0.35）的介电常数在温度诱导FR-FT相变过程中发生突变；PMN-PT陶瓷材料在FR-FT相变过程中呈现出一个热释电峰，反应了自发极化在相变过程中发生了非线性的变化。PMN-PT陶瓷材料在FR-FT相变过程中的热释电效应可以用一个半经验公式，即自然指数的负二次幂函数来进行描述。这种半定量关系的建立为进一步深入研究FR-FT相变的微观机理建立了实验基础。
采用Bridgman方法可以大批量生长高性能、大尺寸的PMN-PT单晶。PMN-PT单晶的压电系数d33可达2 300 pC/N以上，kt可达0.59，远高于同组分的陶瓷材料；PMN-PT单晶的压电性能具有明显的各向异性。（001）切型样品的d33达2 300 pC/N，而（110）切型的样品仅为其50%左右，（111）切型的样品则只有200 pC/N不到；由于PbO、Nb2O5、TiO2和MgO的挥发性差异很大，造成单晶内部成分不均匀、结构不均匀，这些因素导致材料宏观性能的不均匀性；在PMN-PT单晶中，组分的不均匀和长时间缓慢的单晶生长过程有利于低自由能态的Mg︰Nb = 1︰1有序相形成。由于1︰1有序区是电荷不平衡的，周围聚集空间电荷，这种结构会造成PMN-PT单晶材料压电性能随时间剧烈的不稳定。
PMN-PT单晶生长的机理可以用负离子配位基元理论加以解释，它揭示了具有一定维度的结构基元进行叠加形成单晶的过程，在此基础上可对单晶生长方法的改进提出指导。考虑到PMN-PT材料中各种原料的挥发性不同、B位由多种离子复合和易生成1︰1有序相的特性，提出了能够兼顾控制Pb挥发和抑制有序相形成这两方面要求的起始料改进方法。用预合成粉体制备PMN-PT单晶，原料渗漏由原来的10%以上下降到1%以内，d33偏差由30%以上降低到10%以下，d33随时间的稳定性由原来的波动幅度10%以上下降到2%以内。该方法使PMN-PT单晶的性能均匀性和稳定性得到了极大的提高。
PMN-PT梯度铁电相变材料可以展宽FR-FT的相变温度宽度，利用相变的非线性效应提高材料的热释电系数，FR-FT相变温度范围宽由单相材料的5℃扩展至梯度材料的15℃以上,热释电系数可达27×10-8C/(cm2·K)，为常规材料的4倍以上。在PMN-PT梯度铁电相变材料中不同的区域，晶粒的生长情况有所不同，PT含量高的区域晶粒较小，PMN含量高的区域晶粒较大，中间区域的晶粒大小介于两者之间。在PMN-PT梯度铁电相变材料中的界面层存在离子扩散，Mg、Ti元素分别从各自的高含量区向低含量区迁移。梯度铁电相变材料的概念同样可以在其他材料系统中运用，并结合其他物理性能的优化获得高品质的功能材料。如PZT 95/5系统，可以用类似的办法制备PZT 95/5梯度铁电相变材料，使低温菱方相-高温菱方相（FRL-FRH）相变温度加以展宽，从而获得高热释电系数、低介电常数、能够在宽温区使用的新型热释电陶瓷材料，很有希望获得实际应用。
PMN-PT、压电性、热释电性、铁电相变、梯度材料
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TQ17
2004-01-08（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）
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