铁电纳米材料的制备、性能和应用前景

对近年来有关铁电纳米粉体、纳米复合材料、以及纳米陶瓷的制备,结构和性能进行了介绍.对由于粒子尺寸减小引起的结构和性能的改变及其相关机理进行了讨论.透明铁电纳米复合材料可望在光学存储、光学计算等光学器件中得到应用.而纳米陶瓷由于介电特性、耐电压、抗老化、机械强度等性能的提高,因而可以广泛用于改进现有电容器材料的性能,获得性能更加优良的器件.

等效介质理论数值法计算复合材料的热膨胀系数

本文用一套等效介质理论的数值方法计算了球状微粒掺杂之各向同性复合材料及单向纤维增强之横观各向同性复合材料之线热膨胀系数，得到合理的结果，并与Ｓｃｈａｐｅｒｙ式、Ｋｅｒｎｅｒ式之计算及实验值作出比较，显示了等效介质理论于复合材料热弹性能计算之适用性。

PT/P(VDF-TrFE)复合膜及悬空结构热释电传感器研究

将溶胶－凝胶法制备的钛酸铅（ＰＴ）纳米粉粒掺入聚偏氟乙烯－三氟乙烯共聚物［Ｐ（ＶＤＦ－ＴｒＦＥ）］中，制成ＰＴ／Ｐ（ＶＤＦ－ＴｒＦＥ）复合热释电敏感膜，提高其热释电优值和探测优值。用ＫＯＨ腐蚀硅衬底使ＰＴ／Ｐ（ＶＤＦ－ＴｒＦＥ）敏感膜热释电传感器形成悬空结构。实验结果表明，掺入体积比为０．１２ＰＴ粉粒的ＰＴ／Ｐ（ＶＤＦ－ＴｒＦＥ）敏感膜，比同样成膜条件的Ｐ（ＶＤＦ－ＴｒＦＥ）膜的热释电优值提高２０％，探测优值提高３５％；悬空结构大大降低了热导，使传感器在低频段的电压灵敏度和电流灵敏度提高了１０倍以上。根据实验结果，提出了弱铁电体连续基体与铁电体颗粒均匀复合后，计算复合膜介电系数和热电系数的方法。

PT/P(VDF-TrFE)复合材料的压电和热释电性能

采用压塑方法成功地制备了掺钙钛酸铅（ＰＴＣａ）／偏氟乙烯与三氟乙烯共聚物（ＰＶＤＦ－ＴｒＦＥ）０－３型复合材料。对两种极化样品的方法进行了讨论，其一是仅仅让复合样品中的陶瓷极化，另一种是让两相均被极化。当陶瓷和聚合物在同一方向极化时，其二相的压电性能部分抵消，而热释电性能增强。因此，在一定的体积比下，陶瓷与聚合物复合材料存在热释电性而无压电性。最后，测量和讨论了样品的压电常数ｄ３３、厚度耦合系数ｋｔ和热释电系数ｐ。

激光光热偏转法测量固体材料的热扩散率

介绍近几年来发展起来的激光光热偏转法测量固体和固体薄膜热扩散率的基本原理，并提出优化设计的测量装置，利用此装置测量了康宁玻璃基上硼硅合金薄膜的低热扩散率。

陶瓷型铁电复合物厚片介电系数的电场依赖性

建立起高压介电测试装置和相应的数据处理方法。研究了 PZT/P(VDF- Tr FE)和 PT/P(VDF- Tr FE) 0 - 3型铁电复合物厚片介电系数的电场依赖性。对于陶瓷体积分数 φ>0 .3的复合物 ,介电系数随测试场强的升高明显增大。在 φ<0 .1时 ,可用 Maxwell- Garnett方程拟合试验结果。Bruggeman方程适合于低电场 (<1 MV/m)下复合物介电系数的预测。通过 Lz的变化 ,用 Yamada模型可拟合复合物介电系数随电场变化的关系 ,说明 Lz是由复合物的组分维数、粒子形状以及粒子间静电相互作用所决定的参数。

0-3型PZT/P[VDF(77)-TrFE(23)]铁电复合物的非线性介电系数

用自建的非线性介电测试装置测得了０ － ３ 型ＰＺＴ／Ｐ［ＶＤＦ（７７） － ＴｒＦＥ（２３）］ 铁电复合物厚片在不同场强和温度下的线性和非线性介电系数。对于ＰＺＴ 体积含量Φ＞ ０ ．３ 的复合物，介电系数ε１ 随测试场强的升高显著增大。在Φ＜ ０ ．１ 时，可用Ｍａｘｗｅｌｌ－ Ｇａｒｎｅｔｔ 方程拟合实验结果。Ｂｒｕｇｇｅｍａｎ 方程适合于低电场（ ＜ １ ＭＶ／ｍ ） 下复合物介电系数的预测。随着退极化场系数Ｌｚ 的改变，用Ｙａｍａｄａ 模型可拟合不同场强下复合物介电系数随Φ的变化关系。ε１ 的温度依赖性显示了明显的热滞后效应。Φ值增大导致升温过程的居里温度Ｔｃ 降低。Φ＜ ０ ．３ 时，三阶非线性介电系数ε３ 随测试场强的升高而减小，而Φ＞ ０ ．４ 试样的ε３ 在６ＭＶ／ｍ 场强下出现极小值。高Φ值的复合物具有较大的ε３ 。高ＰＺＴ 含量的复合物在相变区出现较大的ε３值。ε３ 温度谱同样显示了与ε１ 类似的表观热滞后现象。

铌酸锶钡铁电薄膜的微结构与薄膜厚度的关系

叙述了使用溶胶—凝胶法在 Si( 0 0 1 )基片上制备不同厚度的铁电铌酸锶钡薄膜的过程 ,使用 X射线衍射 ,扫描电子显微镜 ,拉曼散射光谱等方法研究薄膜的微结构与薄膜厚度之间的关系 ,薄膜的厚度一直能够达到 5 μm。实验发现 ,随着厚度的增加 ,SBN60薄膜在 ( 0 0 1 )方向的优先取向性越来越好。在逐层生长的过程中 ,处于底层的膜层能够起到缓冲层的作用 ,以逐渐改善薄膜与基片之间的晶格失配 。

弛豫型铁电陶瓷PMN材料的P～E回线特性

按照Swarts和Shrout提出的方法制得了单相的钙钛矿结构Pb（Mg1／3Nb2／3）O3陶瓷样品，这种弛豫型铁电体陶瓷显示了不同于正常铁电体的P～E回线随频率变化特性．

陶瓷/VDF—TrFE 0-3型铁电复合物的三阶非线性介电系数

在自建的非线性介电测试装置上测得了ＰＴ、ＢＴ、ＰＺＴ和ＶＤＦ—ＴｒＦＥ共聚物形成的０—３ 型铁电复合物厚片的三阶非线性介电系数ε_３．研究发现，三种复合物的ε_３都随陶瓷组分含量的上 升而增大．测试场强升高，测得的ε_３值减小，但对高陶瓷含量（φ＞０．４）的ＢＴ／ ＶＤＦ－ＴｒＦＥ和 ＰＺＴ／ＶＤＦ－ＴｒＦＥ复合物则在６ＭＶ／ｍ场强下出现极小值．二相都被预极化的复合物小于仅陶瓷相 被预极化的ε_３值．ＰＺＴ／ ＶＤＦ－ＴｒＦＥ复合物的温度依赖关系显示了与（一阶）介电系数类似的表观 热滞后现象．高ＰＺＴ含量的复合物在相变区出现较大的ε_３值．

钛酸铅纳米粉粒和高分子共聚物复合敏感膜热释电性能研究

将溶胶－凝胶（Ｓｏｌ－Ｇｅｌ）法制备的钛酸铅（ＰＴ）纳米粉粒掺入聚偏氟乙烯－三氟乙烯共聚物〔Ｐ（ＶＤＦ－ＴｒＦＥ）〕中，制成ＰＴ／Ｐ（ＶＤＦ－ＴｒＦＥ）复合热释电敏感膜，提高其热释电优值和探测优值。实验结果表明，掺入体积比为０１２ＰＴ粉粒的ＰＴ／Ｐ（ＶＤＦ－ＴｒＦＥ）敏感膜，比同样成膜条件的Ｐ（ＶＤＦ－ＴｒＦＥ）膜的热释电优值提高２０％，探测优值提高３５％。根据实验结果，提出了在铁电体连续基体与铁电体颗粒均匀复合后，计算复合膜介电系数和热电系数的方法。

铁电铌酸锶钡薄膜的结构特性研究

采用溶胶 凝胶法在Si( 0 0 1 )基片上制备铁电铌酸锶钡薄膜 ,使用X射线衍射、摇摆曲线、扫描电子显微镜、喇曼散射光谱等测试手段研究薄膜的微结构与薄膜厚度之间的关系 ,制备的薄膜厚度可达到 5 μm 实验发现 ,随着薄膜厚度的增加 ,SBN60和SBN75薄膜在 ( 0 0 1 )方向的优先取向性越来越好 随着膜层的增加 ,处于底层的膜层能够起到缓冲层的作用 ,以逐渐改善薄膜与基片之间的晶格失配 。

VDF/TrFE共混物晶区相容性的热释电流研究

采用热释电流 (TSDC)技术 ,结合差热分析和X射线衍射方法 ,对由共聚物VDF(5 6) /TrFE(4 4)和VDF(77) /TrFE(2 3 )共混形成的不同摩尔比的VDF/TrFE共混物进行了研究 .发现共混物显示二个居里转变温度 ,其结晶区域由二个共聚物组分的晶区构成 ,体现出共混物中二共聚物组分的晶区是不相容的 .不同极化温度的热处理共混物的TSDC结果还证明 ,空间电荷对剩余极化有一定的稳定作用 .

P(VDF-TrFE)膜悬空结构集成热释电线列研究

用聚偏氟乙烯－三氟乙烯「Ｐ（ＶＤＦ－ＴｒＦＥ）」薄膜作１６＊１集成热释电线性阵列的敏感膜，经退火和７５ＫＶ／ｍｍ场强极化后测得其相对介电常数为１２．６，介电损耗约０．０１。为了降低热导和热容，提高探测器的探测灵敏度，用ＫＯＨ作化学腐蚀完全去除了线性阵列下方的硅衬底，形成悬空结构。

界面粘结对聚氯乙烯/丁腈橡胶共混物脆韧转变的影响

应用丙烯腈（ＡＮ）含量不同的丁腈橡胶（ＮＢＲ）与聚氯乙烯（ＰＶＣ）共混，研究了界面粘结对ＰＶＣ／ＮＢＲ共混物脆韧转变的影响．结果表明：当基体层度Ｔ相等时，过强的界面粘结，使ＰＶＣ／ＮＢＲ共混物的冲击强度降低，并且其产生脆韧转变的临界基体层厚度Ｔｃ减小．界面粘结对于聚合物共混物的增韧行为具有直接的影响．损伤区分析给出：随着界面粘结强度增大，空洞化过程受阻，减弱能量的耗散，并且不利于诱导剪切屈服损伤的产生，因而不利于增韧；但是界面粘强度过小，意味着共混物的相容性太差，致使分散相粒径过大，也不利于增韧．所以对增韧来讲，共混物的界面粘结强度存在一个最佳范围．

超拉伸聚乙烯的弹性模量和导热性能

为了揭示聚合物分子链伸展、取向的本征特性，发展了两个新的测量方法和实验装置，用于研究拉伸比高达２００的超拉伸聚乙烯凝胶的弹性性能、传热性能和聚合物结构的关系．应用激光脉冲热致超声法给出材料拉伸方向和横向杨氏模量，应用激光脉冲光热辐射法给出拉伸方向，横向和厚度方向的导热系数．随拉伸比λ的增加，轴向杨氏模量急剧的增加，而横向的仅有少许减小．导热系数具有相似的特性．本文发现当λ＝２００时，这种拉伸取向聚乙烯的轴向模量可达钢的８０％，而导热系数甚至可达２倍，直至成为热的良导体，这是由于在高拉伸比时形成了相当数量的伸展分子链构成的针状晶体———晶桥．本文提出晶桥作为短纤维分散相的取向聚合物的结构模型，对于超拉伸聚乙烯的上述特性可以进行统一描述和定量化分析，和实验结果很好符合．

磁场增强压电悬臂梁震动发电装置

在压电悬臂梁的自由端施加非均匀磁力增加梁的振幅,探索研究了磁力对悬臂梁的谐振频率漂移、输出电压和输出功率的影响。结果表明,引入非均匀磁场斥力,压电悬臂梁的输出电压和输出功率得到明显提高。当负载电阻为100 kΩ,振动台(LDS)用0.200 V正弦电压驱动时,由尺寸75 mm×7.8 mm×0.35 mm的锆钛酸铅镧(PLZT)长压电片和80 mm×7.8 mm×0.10 mm黄铜片构成的压电悬臂梁在谐振频率的电压和功率输出分别为19.02 V和1.8 mJ。

不锈钢衬底上锆钛酸铅膜的制备

以改性二氧化锆为过渡层，用溶胶－凝胶法在不锈钢衬底上成功制备了锆钛比为５２／４８的锆钛酸铅膜。扫描电镜分析表明，膜的表面平整，无裂纹。Ｘ射线分析结果说明，经６５０℃退火３０ｍｉｎ后．膜为纯的钙钛矿相。以衬底为下电极、直径为０．３２ｍｍ的金上电极，测量了０．８ｕｍ 膜的电滞回线及其它性能，膜的剩余极化为１８ｕＣ／ｃｍ２。

分子链大尺度高取向而小尺度接近无规取向态的非晶态聚对苯二甲酸乙二酯膜片

对非晶态聚对苯二甲酸乙二酯膜片经在Ｔｇ以上单轴拉伸然后淬冷至室温的试样，其物理性质的各向同性或各向异性进行了研究．实验结果说明这种分子链大尺度高度取向而小尺度接近无规取向的非晶态（ＧＯＬＲ态）其折光指数和小形变的拉伸模量是接近各向同性的，而热导率和微波介电常数很可能是各向异性的．

相扩散阻挡法制备铁酸钴/改性钛酸铋钠0-3复合多铁性陶瓷

通过溶胶-凝胶工艺在CoFe2O4(简称CFO)粉体表面包覆二氧化锆陶瓷层来阻挡烧结过程中铁磁相与铁电相之间的离子扩散.包覆后的CFO与0.92(Bi0.5Na0.5)TiO3-0.02(Bi0.5K0.5)TO3-0.06BaTiO3(简称BNBT)陶瓷粉体分别按照xCFO/(1-x)BNKLABT(质量分数x=0.05、0.10、0.15、0.20、0.25、0.30)混合均匀,并用聚乙烯醇为粘结剂模压成圆片;再经过1050℃烧结制备了铁磁/铁电0-3型复合材料.XRD分析表明:二氧化锆在高温烧结过程中对离子扩散具有良好的阻挡作用.复合陶瓷的耐击穿电压大于75kV/cm.测量结果表明:复合陶瓷的压电应变常数、机电耦合系数、介电常数和剩余极化随CFO含量的增加而降低;磁电耦合系数、介电损耗随CFO含量的增加而有所增大.φ35mm×1.5mm的复合陶瓷样品(x=0.05)在谐振频率(90kHz)和199kA/m偏置磁场下的磁电系数为1.39V/A.