曹敏敏[1]2012年在《快速冷却条件下铜铁合金的凝固组织及性能研究》文中研究说明铜铁合金因具有较高的强度、良好的塑性、优良的导电性以及巨大的磁阻效应和特殊的物理性能而被广泛应用于制备大规模集成电路引线框架、高速电气化铁路列车架空导线、电器工程开关电桥、电阻焊电极等。快速凝固可以细化晶粒，增加固溶度，并且是抑制或减轻Cu-Fe合金在凝固过程形成偏析组织的有效途径，因此研究Cu-Fe合金的凝固行为及相选择机理成为研究热点。为了研究不同冷却条件下铜铁合金的凝固行为和机理，开展了如下研究：（1）真空感应熔炼得到的铜铁合金的显微组织主要为Cu基体和均匀分布的α-Fe枝晶，随着Fe含量的增加，α-Fe枝晶越来越粗大，而且显微硬度越来越高。对真空感应熔炼得到的CuFe10合金和CuFe15合金进行冷轧变形，随着变形程度的增加，均匀分布的α-Fe枝晶逐渐沿冷轧方向呈纤维状排列，随着变形量的增加，合金的显微硬度逐渐提高，导电率先降低后迅速升高。（2）真空非自耗电弧熔炼、电磁悬浮以及单辊旋铸等快速凝固方法制备铜铁合金显微组织均由Cu基体、α-Fe枝晶和富Fe球组成。随着冷却速度的增加，富Fe球直径越来越小，数量越来越多。合金的显微硬度随着Fe含量和冷却速度的增加而增加。（3）强流脉冲电子束作用的CuFe10合金表面出现了波状纹理、显微裂纹及微孔等典型电子束照射后的形貌，并使合金表面发生了快速凝固，生成了亚稳液相分离的富Fe球。强流脉冲电子束处理合金表面的显微硬度、耐蚀性能、耐磨性能均得到明显提高。（4）在CuFe10合金表面磁控溅射镀Al膜，强流脉冲电子束照射铜铁合金表面发生了Al合金化，合金化生成了强化相CuAl_2相，合金表面也发生了快速凝固，液相分离出现了富Fe球，细化了合金表面的显微组织，电子束照射后的合金表面显微硬度、耐蚀性能、耐磨性能均得到明显提高。
屈磊[2]2013年在《磁场作用下Cu-Fe复合导线的组织调控及性能研究》文中研究说明高强高导铜合金具有优良的综合物理性能和力学性能,是现代电子信息、电力、能源、机械等产业发展的关键功能材料。在高强高导铜合金中,Cu-Fe复合材料以其优异的性能和低廉的成本,受到研究者的广泛关注。本论文在国家高技术研究发展计划项目(863计划,No.2007AA03Z519)、东北大学基本科研业务费项目(No.100609004)和博士学位论文资助课题的资助下,针对控制凝固组织和热处理这两种有效调控Cu-Fe复合材料综合性能的方法,分别施加电磁搅拌和强磁场这两种外加磁场,来研究电磁搅拌对Cu-Fe合金凝固组织及其形变后显微组织和性能的影响。又研究了强磁场退火热处理对Cu-Fe复合导线显微组织和性能的影响。并从Cu-Fe复合导线复杂的相变中选取α-Fe颗粒相生长和析出过程,深入研究了强磁场对这两种基本固态相变的影响规律。电磁搅拌对Cu-Fe合金凝固组织影响的研究表明,Fe元素本身对Cu合金具有很好的细化晶粒作用,且此细化作用与Fe元素的含量有关。电磁搅拌可以进一步细化低Fe成分的Cu-Fe合金晶粒,对高Fe成分Cu-Fe合金晶粒的细化作用有限。电磁搅拌可以有效破碎Fe枝晶,细化Fe枝晶臂的尺寸和间距。但是,当搅拌电流超过100A时,剧烈的搅拌强度造成大量的Fe偏聚在铸锭表面,因此合理的电磁搅拌电流为100A。根据显微组织的遗传性,电磁搅拌可以通过细化Cu-Fe合金的凝固组织,来间接细化形变后Cu-Fe合金或复合材料的显微组织。实验结果表明,电磁搅拌作用下制备的Cu-2%Fe合金在形变过程中保持着较小的晶粒尺寸；电磁搅拌制备的Cu-6%Fe(原配比8%Fe)合金在形变后,复合材料的纤维间距、厚度和宽度也得到细化。随着Fe含量的增加,Fe纤维的数量随之增加,间距减小。电磁搅拌制备的形变Cu-2%Fe合金和Cu-6%Fe复合导线具有更高的强度。随着Fe含量的增加,复合导线的强度也随之显着增加。电磁搅拌对形变Cu-Fe合金或复合材料的导电率的影响不显着。在合适的电磁搅拌强度下,可以制备出高质量的Cu-Fe合金,并显着提高形变后Cu-Fe合金或复合导线的综合性能。强磁场退火处理研究表明,Cu-12.8%Fe复合导线在450℃强磁场退火时,随着时间的延长Fe纤维的间距和形貌没有显着的变化,强磁场对Fe纤维间距、形貌和Fe固溶度的影响不显着。在700℃强磁场退火时,随着退火时间的延长Fe纤维出现严重的热失稳,施加强磁场可增大Fe纤维的间距、加速纤维的热失稳过程、促进Fe颗粒的重溶。在450℃退火时,Cu-12.8%Fe复合导线的导电率逐渐增加,抗拉强度则随着退火时间逐渐降低；强磁场对450℃退火时的导电率和强度的影响不显着。在450℃这一较佳温度下进行热处理时,强磁场对Cu-Fe复合导线的显微组织、力学性能和导电率的影响不显着。在700℃退火时,复合导线的导电率和强度都随着退火时间增加而逐渐降低,施加强磁场降低了复合导线的导电率和强度。Fe纤维的热失稳研究表明,对于大形变量的Fe纤维,由于其在横截面上具有很大的宽厚比w/t和较大的晶界能和界面能的比值γB/γs,纵向晶界开裂是最主要的热失稳方式。纵向晶界开裂使带状的Fe纤维逐步转变成一系列圆柱状的Fe纤维。随后,圆柱状Fe纤维将同时进行断裂、生长和粗化等热失稳过程。圆柱状Fe纤维断裂的时间可以用Rayleigh扰动来拟合。受生长过程的影响,700℃退火时,圆柱状Fe纤维半径的长大速率明显大于Ostwald熟化理论的计算值。Cu-Fe复合材料导电机制的研究表明,在假设声子和位错散射对Cu基体电阻率的贡献为定值的前提下,杂质散射电阻率ρimp为Cu-Fe复合材料主要的影响因素。退火温度低于500℃时,纤维间距的增加和单位体积内相界面的减少导致电阻率的缓慢降低。温度高于500℃时,Cu基体内Fe固溶度的快速增加直接导致复合材料电阻率的上升。强磁场作用下α-Fe颗粒生长过程的研究表明,α-Fe颗粒相和Cu基体的取向关系为典型的K-S关系,即(111)f/(101)b,[101]f//[111]b,[121]f//[121]b。α-Fe颗粒生长后呈板条状,其生长方向与密排方向[101]f//[111]b的夹角在8～9°间,并可以用不变线应变模型来计算。强磁场不改变α-Fe与Cu基体的取向关系、惯习面和生长方向等晶体学特征。当强磁场的方向近似平行于α-Fe颗粒的长轴方向(或生长方向)时,可以促进α-Fe颗粒的生长；当磁场方向近似垂直于生长方向时,对其生长没有影响。强磁场作用下过饱和Cu-2%Fe合金时效过程的研究表明,450℃时效处理后,Fe元素以极其细小的共格γ-Fe颗粒形式析出,此时强磁场对γ-Fe颗粒的尺寸没有明显的影响。在700℃时效处理后,析出相为较大尺寸的共格γ-Fe颗粒,并随着颗粒的生长,从其界面处释放出来大量的错配位错,此时强磁场可以显着增加时效后析出相的尺寸。强磁场对450℃时效后Fe元素的固溶度和导电率的影响不显着,但在700℃时效后强磁场促进了Fe元素的析出,进而减低了Fe元素的固溶度、增加导电率。
谢志雄[3]2012年在《多元合金化Cu-Fe原位复合材料的组织和性能研究》文中指出形变Cu-Fe原位复合材料由于Fe纤维强化效果好且价格低廉等优点一直受到国内外研究人员的广泛关注。但由于Fe在Cu基体中的高温固溶度大,低温扩散速度慢,导致过量Fe原子固溶在Cu基体中,从而危害复合材料导电率。因此,如何促进Cu基体中Fe原子的析出并优化Cu-Fe原位复合材料强度和导电率的匹配是当前研究的重点和难点。针对这些问题,本文结合国内外高强高导Cu基原位复合材料研究现状,通过多元合金化的方式来抑制基体中Fe原子的固溶,促进Fe原子的析出,并分析合金元素对复合材料的作用机制。本文采用的技术路线如下:首先采用CALPHAD(Calculation of Phase Diagram)相图计算技术对所研究的Cu-Fe-Ag和Cu-Fe-Ag-P系合金进行相平衡热力学计算,指导合金成分设计和热处理工艺;其次利用熔铸法和冷拉拔变形工艺制备不同成分的Cu-Fe-Ag和Cu-Fe-Ag-P系原位复合材料,研究Ag和P对Cu-Fe原位复合材料组织和性能的影响;最后通过均匀化热处理和时效热处理来研究热处理工艺对Cu-Fe-Ag和Cu-Fe-Ag-P原位复合材料的组织和性能的影响,并分析Ag和P在热处理过程中的作用机制。实验中采用X-射线衍射仪(XRD),光学显微镜(OM),扫描电子显微镜(SEM),透射电子显微镜(TEM)等结构分析手段和拉伸实验,电阻率测量实验,系统地研究了Ag和P对Cu-Fe原位复合材料组织和性能的影响,获得到如下结论:Cu-Fe-Ag叁元体系相图热力学计算结果表明,Ag能降低Fe在Cu中的最大固溶度,起到抑制Fe的固溶作用。随着Ag含量增加,Fe在Cu中的最大固溶度逐渐减小;在500℃,Cu-Fe-Ag富Cu角开始析出平衡相α-Fe,800℃时富Cu角开始出现液相;Ag能使Cu-Fe熔体形成溶混间隙,随Ag含量增加,溶混间隙向高温方向扩大;Cu-Fe-Ag-P系热力学相图计算结果表明,P<0.1at.%,在300℃~700℃范围,Cu-Fe-Ag富Cu角可以形成FeP,Fe_2P,Fe3P和Cu3P相。Ag能细化初生Fe枝晶,随Ag含量增加,初生枝晶更细,但Ag>1%后细化效果不明显。揭示了初生枝晶细化机理是Ag能降低Cu/Fe之间的界面能,促进γ-Fe粒子的形核,增大形核速率。变形组织中,Cu-Fe-Ag复合材料更容易形成纤维结构组织。在变形程度相同的条件下,随着Ag含量增加,纤维厚度和间距越小。对形变Cu-Fe-Ag和Cu-Fe-Ag-P原位复合材料的强度进行分析,揭示了形变Cu-Fe-Ag和Cu-Fe-Ag-P原位复合材料多元多尺度强化机制:首先是变形过程中形成的Fe纤维对复合材料的强化,即σfilament,纤维对复合材料的强化作用满足Hall-Petch公式,其次是基体中固溶的Fe原子和Ag原子对基体的强化作用,即σFe和σAg,最后是Cu-Fe-Ag-P基体上析出粒子的强化,即σprecipitate,析出粒子强化满足Orowan强化机制。根据这些物理模型结合实验数据,得到了合金元素Ag和P对复合材料的强化机制模型,即通过均匀化热处理细化了合金铸态组织,促进2次Fe粒子和纳米粒子析出。随着Ag含量增加,初生枝晶尺寸更小。大变形条件下,均匀化热处理的复合材料能获得更高的强度,其来源于变形过程中形成细小的纤维引起的界面强化。均匀化热处理使Ag抑制了Fe在Cu中重新溶解,促进了大量二次Fe粒子的析出,减少了杂质原子散射,使复合材料导电率提高4-5%IACS。中间时效热处理使Cu-Fe-Ag基体析出大量纳米α-Fe粒子,大小约为20nm,导致叁次中间时效热处理后复合材料导电率提高近20%IACS。时效过程中Ag加速了Fe原子的形核和析出,但Ag的存在降低了纤维热稳定性,使部分Fe纤维发生开裂。最终的时效热处理导致Cu-Fe-Ag-P复合材料基体析出大量的纳米Fe3P粒子(50nm)和球形α-Fe粒子(20nm),这些粒子的析出使复合材料导电率提高约18%IACS。时效过程中基体发生了回复与再结晶,使复合材料强度有所下降。通过同步辐射反常X射线小角散射对等温时效过程中Cu-0.6Fe和Cu-0.6Fe-0.5Ag(at.%)合金中Fe粒子的析出行为进行实时观测,获得了α-Fe粒子析出动力学方程:R1=0.08t1/2和R2=0.09t1/2。动力学方程表明,在相同时间内,Cu-Fe-Ag合金析出的α-Fe粒子半径更大,这表明Ag能加速Cu基体中α-Fe粒子的析出。
董艳玲[4]2008年在《溶胶凝胶原位法制备铁电/亚铁磁复相材料及其性能研究》文中研究指明近年来,铁电/铁磁复相材料由于同时具有电容和电感两种特性,在器件的集成化和小型化方面具有很好的应用前景,获得了研究者的广泛关注。随着电子产品向高效能方向发展,具有高介电常数和高磁导率的铁电/铁磁复相材料将会成为功能材料领域一个重要的研究热点。将渗流理论引入铁电/铁磁复相体系可以提高复相材料的介电常数,然而一般的渗流体系,其渗流阈值非常小(不大于0.2),根据复合定律,发生渗流效应的复相体系其磁导率很低,因而不能同时得到既具有超高介电常数又具有较高磁导率的铁电/铁磁复相材料。如果采用一定方法提高了渗流阈值,即在铁氧体含量很高时发生渗流效应,则能够在得到超高介电常数的同时,其磁导率基本不降低,这对高性能铁电/铁磁复相材料的研究提供了一个很好的研究思路。本论文研究的目的在于采用溶胶凝胶原位复合法,成功制备PTO/NFO复相粉体、复相薄膜、复相陶瓷和BTO/NZFO复相陶瓷,研究复相体系中PTO和NFO两种晶相的形成过程和机理;将渗流理论引入铁电/铁磁复相陶瓷,通过形成PTO对NFO颗粒的包裹结构来提高渗流阈值,并降低损耗,得到低损耗的同时具有超高介电常数和较高磁导率的复相陶瓷;研究复相陶瓷介电增强的机理,探索其理论依据。本文全面回顾了磁电材料、铁电/铁磁复相材料和渗流型复相陶瓷的研究进展,比较了常用铁电/铁磁复相材料的性能和制备方法,总结了现有磁电材料的优缺点及影响其介电性能和磁性能的因素。用XRD、SEM、阻抗分析仪(Agilent4294A、16451B)、Keithley 6571A型高阻仪等分析了PTO/NFO复相粉体、PTO/NFO复相薄膜、PTO/NFO复相陶瓷和BTO/NZFO复相陶瓷的制备、微观结构、电导、介电性能和磁性能。对两相形成的过程和机理、两相结构对介电性能和磁性能的影响机制、复相陶瓷介电增强的机理、渗流阈值提高的机理,进行了详细研究。具体研究内容及研究结论如下:(1)利用sol-gel方法并通过原位复合方法制备了具有铁电性能的PTO和具有铁磁性能的NFO两相复合体系陶瓷粉体。在700℃-750℃时可控制形成纯铁电(FTO)/铁磁(NFO)两相复合体系。多相复合体系的晶相的形成和生长与热处理温度密切相关,低温下Pb~(2+)首先形成PbO,随后形成PTO:温度较高时,Pb~(2+)全部用于形成PTO,而Fe~(3+)和Ni~(2+)则参与形成NFO相;同时,随着温度的继续升高,Pb~(2+)和Fe~(3+)转而形成高温稳定相PFO,FTO和NFO的含量随之有所下降。多相复合共存体系中形成的晶相多以固溶体存在,PbO中的Pb~(2+)易被Ni~(2+)和Fe~(3+)置换,晶格常数有所下降;PTO中的Ti~(4+)被Ni~(2+)(Fe~(3+))置换引起晶格畸变;NFO中的Ni~(2+)和Fe~(3+)被Ti~(4+)置换,晶格常数略有下降;PFO相中出现Ti~(4+)和Ni~(2+)对Fe3+的联合置换,晶格常数基本不变。复合粉体中晶相的生长受热处理过程中的保温时间的影响,保温时间越久,体系能量越大,晶相向高能量时的稳定态转变。PTO/NFO复相粉体的比饱和磁化强度和矫顽力与复相体系的组成直接相关,随软铁磁铁氧体NFO的晶相含量的增加可以提高复相粉体的比饱和磁化强度,非磁性PTO相的存在对亚铁磁相NFO磁畴的磁化起阻碍作用,使其矫顽力增大。在750℃热处理条件下,利用sol-gel原位复合法合成的不同PTO、NFO配比下复相体系中,当PTO、NFO配比大于5:5时得到PTO和NFO两相复合体系,小于5:5时得到PTO、NFO、PFO和Fe_2O_3四相复合体系。不同配比的复相粉体中,PTO和NFO两相均以固溶体形式存在,(2)利用sol-gel方法并通过原位复合方法成功制备了PTO/NFO复相薄膜。在600℃-750℃时可控制形成纯铁电(PTO)/铁磁(NFO)两相复合体系,不同复合体系的形成和热处理温度有很大关系,热处理温度在600℃以下时,体系的温度相对较低,形成比较简单的氧化物Pb_(0.94)Ti_(0.06)O_(1.06);升高二次热处理温度到600℃时,形成较复杂结构的PTO一种晶相;继续升高温度到800℃时,相对复杂结构的NFO也开始形成,得到PTO和NFO两相复合体系;再提高温度到900℃时,由于体系能量进一步提高,更复杂结构的PFO晶相也开始形成,同时因固溶使得Ti离子相对应形成PTO来数过量而形成金红石相的TiO_2,形成PTO、NFO、PFO和TiO_2四相共存的复合体系。薄膜体系中生成的各相的含量随热处理条件的变化而变化。不同热处理温度下得到的复相薄膜,其中的两相是以固溶体形式存在的。PTO/NFO复相薄膜中,缺陷和两相界面的存在导致了空间电荷极化。复相薄膜中NFO相的存在使其偶极子的极化激活能大大降低,因而复相薄膜偶极子驰豫极化开始时对应的频率比PTO薄膜高很多,介电常数频率稳定范围也增大很多。PTO/NFO复相薄膜复相薄膜表现出了电滞现象,其极化强度随PTO相含量的增加而逐渐增加,而其矫顽力则受到复相体系中NFO对铁电畴的钉扎作用而逐渐减小。经过850℃二次热处理的PTO/NFO复相薄膜表现出了明显的亚铁磁性,其饱和磁化强度和矫顽力分别为93emu/cm~3和66Oe。(3)利用sol-gel方法并通过原位复合方法制备了PTO/NFO两相复合陶瓷,PTO和NFO两相的晶相含量基本不随预处理温度的变化而变化,但两相的晶粒尺寸随预处理温度的降低而减小;随着烧结温度的升高,两相的晶相含量逐渐增加,当烧结温度继续升高到1150℃以上时两相的晶相含量达到最大;PTO和NFO两相是以固溶体存在的,两相中固溶离子的固溶量随烧结温度的升高而增大,烧结温度在1150℃以上时得到了稳定的两相固溶体。利用PTO/NFO复相陶瓷中PTO和NFO烧结温度的差异导致两相生长顺序不同,NFO烧结温度较低因而首先生长,后长大的PTO相分布在NFO颗粒间隙中,并通过控制复相陶瓷中铁电相和亚铁磁相分子尺度范围内的均匀分布,实现了PTO对NFO的包裹结构,1150℃下烧结得到的形成了PTO薄层对NFO相的包裹结构。特别当铁氧体含量很高时,铁电相仍然以一薄层包裹在铁氧体周围,使铁氧体颗粒之间相互不能接触,从而得到超过渗流阈值(0.95),同时获得超高介电常数(9432,为PTO基体的45倍)和高磁导率(6,是纯NFO的55%)的高性能复相材料。(4)研究了PTO/NFO复相陶瓷的介电行为和磁化行为。PTO/NFO复相陶瓷介电行为符合Hybrid介电模型,其介电常数的大幅度提高是空间电荷极化和偶极子极化共同作用的结果,同时满足微电容模型。由于NFO晶粒均匀分散在PTO基体中,并且被PTO颗粒很好的包裹,避免了NFO颗粒间的相互接触,NFO颗粒间的相互作用因此可以被忽略,从而复相陶瓷的磁导率在NFO含量由低到高达0.85的范围内都相对满足MG方程。当NFO含量很大,如f_(NFO)＞0.85时,某些NFO颗粒长大而彼此相互接触,此时NFO颗粒之间的作用不能被忽略,因而实验结果不再满足MG方程,而相对更满足BH程。原位法制备的PTO/NFO复相陶瓷中,NFO相中微量非磁性离子引入引起NFO磁导率的下降,计算某一NFO含量复相陶瓷的磁导率时,μ_(NFO)应该取该NFO浓度下复相陶瓷中铁氧体的磁导率,其并不等同于纯NFO相的磁导率,而是比纯NFO相的磁导率偏低,据此,将方程(6-16)进行了修正,实验数据和根据修正后的BH方程计算出的理论结果吻合非常好。非磁性的PTO形成的晶体场对NFO磁子自旋起束缚作用,发生轨道角动量冻结,使PTO/NFO复相陶瓷在低温下发生了类自旋玻璃转变,并且随着温度的降低,被冻结的磁矩逐渐增多,使得ZFC和FC的不重合温度大大提高。复相陶瓷中,PTO相的存在阻止了NFO颗粒的长大,纳米级的晶粒尺寸使NFO铁氧体在复相陶瓷中呈现出超顺磁性。非磁性体PTO相的存在阻碍了磁畴的翻转和移动,降低复相材料的磁化强度并提高矫顽力。(5)利用sol-gel方法并通过原位复合方法制备了无铅的渗流型BTO/NZFO两相复合陶瓷。不同烧结温度下制备的不同NZFO浓度的BTO/NZFO复相陶瓷中BTO和NZFO都是以固溶体形式存在的,烧结温度为1250℃以上时生成了稳定的BTO和NZFO固溶体。NZFO相比BTO相的烧结温度低,BTO/NZFO复相陶瓷的烧结温度随着NZFO含量的增加而逐渐降低,相同烧结温度下制备的复相陶瓷缺陷减少;烧结温度越高,陶瓷烧结越致密,在1300℃保温12h的烧结条件下可以得到NZFO含量为0.9以上的致密的BTO/NZFO复相陶瓷。通过sol-gel原位复合法控制复相体系中BTO和NZFO两相的均匀分布并利用两相烧结温度的差异实现了BTO相对NZFO相的包裹结构,同时,较低的烧结温度使得NZFO相在1300℃的烧结温度下表面形成了一层玻璃相,生成的玻璃相包裹在NZFO颗粒表面,进一步提高了复相材料的渗流阈值并降低了复相陶瓷的介电损耗,获得了具有绝对值超高的介电常数(75000)和较高的磁导率(162)。渗流型复相陶瓷BTO/NZFO的介电行为符合Hybrid介电模型,其介电常数的大幅度提高是空间电荷极化和偶极子极化共同作用的结果,同时满足微电容模型。复相陶瓷的磁导率在NZFO含量小于0.6时相对满足MG方程,当NFO含量很大,如f_(NFO)＞0.6时,实验结果不再满足MG方程,而满足BH程的修正方程。复相陶瓷的初始磁导率频谱满足Snoek定律。
李永江[5]2006年在《Sr_（0.5）Ba_（0.5）Nb_2O_6/Ni_（0.8）Zn_（0.2）Fe_2O_4基复合磁电陶瓷》文中指出磁电效应是指材料在外磁场作用下产生电极化、或在外电场作用下产生诱导磁化的现象。具有磁电效应的磁电材料可以实现磁场和电场之间的相互转换,可望应用于传感器、微位移器、换能器以及磁电存储器中。为了获得具有更大磁电效应的磁电材料新体系,作者依据磁电材料设计的基本规律,提出利用四方钨青铜结构的弛豫型铁电体Sr_(0.5)Ba_(0.5)Nb_2O_6作为复合材料的铁电相以获得大的磁电效应的新思路。这种方法突破了以往在设计复合磁电材料中铁电相囿于钙钛矿结构的限制。本实验系统地研究了四方钨青铜结构的弛豫型铁电体Sr_(0.5)Ba_(0.5)Nb_2O_6与立方尖晶石结构的铁磁体Ni_(0.8)Zn_(0.2)Fe_2O_4共存的复合磁电陶瓷的介电、磁电性能。 采用固相烧结法制备了(1-X)Sr_(0.5)Ba_(0.5)Nb_2O_6/xNi_(0.8)Zn_(0.2)Fe_2O_4(x=0、0.1、0.2、0.3、0.4和0.5)致密陶瓷。在整个烧结过程中Sr_(0.5)Ba_(0.5)Nb_2O_6和Ni_(0.8)Zn_(0.2)Fe_2O_4两相是相互共存的,两者之间没有发生化学反应产生杂质或中间相。烧结后的致密陶瓷通过氧气氛退火后,能很好地极化和磁化,并观察到明显的磁电效应。当铁电相Sr_(0.5)Ba_(0.5)Nb_2O_6含量为70mol%时,复合磁电陶瓷具有最大磁电耦合系数,达到26.6mV/cm/Oe,远高于在复合磁电陶瓷单相材料中获得的最大磁电耦合系数。Sr_(0.5)Ba_(0.5)Nb_2O_6/Ni_(0.8)Zn_(0.2)Fe_2O_4复合磁电陶瓷的磁电效应具有很强的成分敏感性,温度敏感性以及频率敏感性,因此可以通过改变复合陶瓷的微结构组成及制备工艺来提高磁电耦合系数。 另一方面,Sr_(0.5)Ba_(0.5)Nb_2O_6/Ni_(0.8)Zn_(0.2)Fe_2O_4复相陶瓷除了具有可观的磁电效应,同时具有非本征介电弛豫及与之相关的巨介电常数。当在材料表面施加电场时,空间电荷会由于两相不同的电导率而积聚在两相之间的界面周围,从而产生表观上很高的介电常数,这为探索新型巨介电常数材料开辟了一条可能的新途径。作者使用等效RC电路分析并解释了复合陶瓷的阻抗特性,并在介电分析中观察到了一种类似于Debye弛豫的介电异常现象。样品的介电常数表现出很强的组分敏感性及频率敏感性,随着铁磁相Ni_(0.8)Zn_(0.2)Fe_2O_4含量的增加或是测试频率的降低,复合陶瓷的介电常数都会迅速增大。在室温到100℃之间,0.7Sr_(0.5)Ba_(0.5)Nb_2O_6/0.3Ni_(0.8)Zn_(0.2)Fe_2O_4的样品,在100kHz下测得的介电常数(ε'～3500)表现出良好
聂军武[6]2009年在《CoFe_2O_4-BaTiO_3磁电复合材料的制备及性能研究》文中进行了进一步梳理磁电耦合效应是由外加电场或外加磁场感应产生的电场感生磁矩效应或磁场感生电矩效应,具有这种磁电耦合效应的铁电磁功能材料被简称为磁电材料。由于磁电材料是在外加磁场强度H的作用下产生电极化强度P或在外加电场作用下产生诱导磁化,因此可以用转换系数α=dP/dH或dH/dP表征磁电效应的大小,由磁场能感生电场能的转换系数αE即磁电耦合系数。由钴铁氧-钛酸钡两相复合而成的磁电材料(简称磁电复合材料)以其具有较大的磁电耦合系数和无铅、容易合成等特点而受到广泛的研究和关注。本文以制备出高性能的CoFe_2O_4-BaTiO_3磁电复合材料为目标,采用化学方法一次性合成CoFe_2O_4和BaTiO_3两相共存的纳米复合粉体,然后采用不同陶瓷烧结技术对粉体进行烧结,分别实现该体系的铁磁相—铁电相的复合。针对以纳米复合粉体为原料制备磁电复合材料的特点,构建了粉体中两相形成共格界面、依附生长的八面体模型,运用此模型解释了由纳米粉体烧制得到高磁电耦合性能的原因;首次设计了块体二次烧结实验方案,通过改变块体微界面研究其对磁电耦合效应的影响;针对二次烧结块体样的磁电耦合系数下降等问题,提出了适合于混相磁电复合材料的电畴与磁畴作用距离模型,并以此对制备磁电陶瓷中的各种问题作出合理的解释。具体内容包括:1.通过改进了的EDTA-柠檬酸溶液络合法合成CoFe_2O_4-BaTiO_3两相不同配比(1 : 4, 1 : 2, 1 : 1)的纳米复合粉体,研究不同温度下处理的粉体其形貌、粒径和两相界面共生机制等问题,应用改进的普通烧结方法,在1180°C/2h条件下对900°C粉体进行烧结,制得了磁电耦合系数最高值为680μV/Oe·cm的磁电复合材料,分析表明是该中铁磁相含量低、晶粒界面结合不够紧密等因素影响了磁电耦合效应;采用陶瓷热等静压技术烧结了CoFe_2O_4摩尔含量为20%和45%的磁电样品,在1050°C/110 MPa/60 min条件下烧制的0.45CoFe_2O_4-0.55BaTiO_3磁电陶瓷样品具有最大的磁电耦合系数值,达30.09 mV/Oe·cm,研究表明细化晶粒、提高铁磁相含量、增大两相接触面积和提升烧结密度有利于高磁电耦合效应的产生。2.首次采用以单相NaCl为熔融盐介质,以NP-10 (nonylphenyl ether)为表面活性剂的熔融盐法一次性合成出了CoFe_2O_4-BaTiO_3纳米复合粉体,经TEM、XRD等分析手段检测表明于800°C反应合成的粉体中无其它杂相,粉体粒径在100 nm以下,而提高或者降低反应温度都将影响粉体粒径和粉体纯度;用普通陶瓷烧结方法在1180°C/120 min的条件下烧制了CoFe_2O_4摩尔含量约为20%、35%和50%的磁电复合材料样品,后两种样品都获得很好的物理性能(密度达到93.2%TD和94.3%TD)和铁电、铁磁综合性能(如压电系数分别达到14 pC·N-1和17 pC·N-1),并在50%CoFe_2O_4的样品中获得最高的磁电耦合系数,其值为17.04 mV/Oe·cm;以XRD、SEM等分析手段检测了块体材料的组成和微结构,分析表明两相之间结合紧密且无杂相存在于晶界,晶粒大小控制在0.5μm左右;以熔融盐法合成出了更细小的纳米粉粒,为烧结后的块体样提供了更大的相接触面积,块体烧结致密度也增大,同时获得优异的铁电、铁磁综合性能。3.利用粉体XRD表征、透射电镜衍射花样(SEAD)和计算出的两相晶格参数之间的关系,分析得到两相晶胞在平行于(110)和(220)晶面的平面内可以以晶格匹配的方式共格生长,由此构建了粉体合成时两相共格生长的八面体结构模式;当粉体中两相以这种共格的方式长大时,相与相之间能紧密结合,减少位错等缺陷,因此以全纳米粉体为原料制备的磁电复合材料可以获得更高的磁电耦合效应;以提高块体样品致密度、提升磁电耦合效应为目标,设计了块体二次热压烧结实验方案,实验后发现,溶液法合成的块体样最大磁电耦合系数是680μV/Oe·cm,二次烧结后其系数值降为42.7μV/Oe·cm,对其多项性能进行对比分析,结果表明两相间共格界面遭受最大程度改变是导致耦合系数下降的最直接原因;以熔融盐法制备的块体样(50% CoFe_2O_4和35% CoFe_2O_4)磁电耦合系数可以达到17.04 mV/Oe·cm和6.83 mV/Oe·cm,经过二次烧结后样品的耦合系数降为62.1μV/Oe·cm和65.16μV/Oe·cm,研究分析也表明影响它们的最关键因素是共格界面的破坏。4.从磁电耦合作用最基本的工作原理出发,分析和总结了CoFe_2O_4-BaTiO_3磁电复合材料中磁畴和电畴的形成机制,以及两种畴在各自受外力作用时形变、极化等现象产生的过程和机理;首次提出了畴间作用距离影响磁电耦合效应的模型,不但充分地验证了混相磁电复合材料中耦合效应产生的条件,而且对相界面的变化影响磁电耦合系数大小也作出了圆满的解释。
巫建功[7]2009年在《磁电复合材料的制备及其介电性能的研究》文中进行了进一步梳理磁电复合材料是一种新型功能材料,它集铁磁体的铁磁性和铁电体的铁电性于一体,其磁电效应是通过压电相和磁滞伸缩相的乘积效应来实现的。磁电效应是指材料在外磁场作用下产生电极化、或在外电场作用下产生诱导磁化的现象。具有磁电效应的磁电材料可以实现磁场和电场之间的相互转换。这类材料的应用大致有叁个方面:分别应用铁电铁磁材料的铁电性能和铁磁性能、同时应用铁电铁磁材料的铁电性能和铁磁性能,但不利用它的磁电效应(ME)以及应用铁电铁磁材料的磁电性能。目前这种材料主要在抗电磁干扰器件、传感器、微位移器、反馈系统、微波领域、换能器以及磁电存储器中有很大的应用前景。本文以BaTiO_3/CoFe_2O_4基磁电复合材料为研究对象,主要探讨铁电铁磁材料的铁电性能。对四方钙钛矿结构的铁电体BaTiO_3(Ba_(0.8)Sr_(0.2)TiO_3)与立方尖晶石结构的铁磁体CoFe_2O_4(Co_(0.5)Cu_(0.5)Fe_2O_4)共存的复合磁电陶瓷的相结构、微观结构和介电性能做了详细的研究。文章首先分别对压电材料、压磁材料和磁电复合材料的研究简史、发展现状、产生的相关理论机制、制备方法作了阐述,着重论述了磁电复合材料的基本性质;接着介绍了应用传统的固相烧结法制备材料的工艺过程,同时对常规X射线衍射仪器、环境扫描电镜设备和介电温谱测试设备也做了介绍。采用传统的固相反应法制备了(1-x)BaTiO_3/x CoFe_2O_4 (x=0、0.15、0.3、0.45和1)致密复合陶瓷。在整个烧结过程中BaTiO_3和CoFe_2O_4两相是相互共存的,两者之间没有发生化学反应产生杂质或中间相。对烧结后的致密复合陶瓷上电极,进行极化和磁化。复合陶瓷粉末的X射线分析表明铁电相和铁磁相相互共存,复合陶瓷中的各相的晶体结构也没有发生大的畸变;介电温谱表明铁磁相含量的增加降低了材料的介电常数,并且在介电温谱图上很明显的表现出了两个高峰,分别对应铁电相和铁磁相的居里温度点,符合磁电复合材料的特性,在BaTiO_3/CoFe_2O_4磁电复合陶瓷的制备基础上,文章同样采用固相混烧法制备了致密度较高的(1-x) (Ba_(0.8)Sr_(0.2)) TiO_3/x (Co_(0.5)Cu_(0.5)) Fe_2O_4 (x=0、0.15、0.3、0.45和1)复合陶瓷。复合陶瓷粉末的X射线分析表明铁电相和铁磁相相互共存,两者之间没有发生化学反应产生杂质或中间相,复合陶瓷中的各相的晶体结构也没有发生大的畸变;SEM也表明了两相的共存;介电温谱表明Sr~(2+)、Cu~(2+)的引入降低了铁电相(Ba_(0.8)Sr_(0.2)) TiO_3的居里温度点,在介电温谱图上只显示出靠近铁磁相相变点的介电常数峰,铁磁相含量的增加引起了材料的介电常数的升高,这种现象在磁电复合材料中还是比较少见的,其可以在电存储设备中提供广阔的应用前景。
何振鲁[8]2011年在《Ni/PZT磁电复合薄膜的水热法合成与性能研究》文中研究表明水热法沉积PZT薄膜具有反应温度低,薄膜纯度高、厚度大,不需要后处理等一系列优点。本论文采用水热合成法制备了Ni/PZT磁电复合薄膜,研究了工艺条件对薄膜结构和性能的影响。结果表明,缓冲层成份对薄膜的生长具有重要影响,Ti/TiO_2中的TiO_2层与溶液中的晶种反应,在Ni基片表面形成晶核点,从而改善薄膜和衬底的结合性。水热生长的PZT薄膜具有良好的铁电性能和介电绝缘性能。水热温度对薄膜的结构、铁电和磁电性能有着重要影响。随着水热反应温度的升高,薄膜的晶粒大小逐渐减小,剩余电极化强度减小,矫顽力增加。当反应温度从433K增加到463K时,薄膜的矫顽力从8.0kV/cm增加到13.5kV/cm,剩余电极化强度从26.7μC/cm~2减小到16.9μC/cm~2。随着水热温度的增加,薄膜的磁电电压系数减小。另外,随着频率的增加薄膜的磁电电压系数近线性增加,磁电电压系数不随偏置磁场的变化发生改变。本论文还研究了缓冲层厚度对薄膜磁电性能的影响。Ni和PZT层之间的机械耦合作用产生磁电效应,界面结合状况决定薄膜的磁电性能。缓冲层用来连接Ni和PZT层,并把Ni层产生的磁致伸缩应变传递给PZT层,应变在缓冲层中传递时存在应变损失。随着Ni和PZT之间缓冲层厚度的增加,薄膜的磁电耦合性能减弱,磁电电压系数减小。当缓冲层厚度为400nm时,薄膜的最大磁电转换系数为10.77 Vcm~(-1)Oe~(-1)。
印晓明[9]2007年在《锰酸盐（稀土合金）—锆钛酸铅铁电铁磁多层膜中的磁电效应》文中研究指明本文采用溶胶—凝胶法制备了锰酸盐La_(0.7)Sr_(0.3)MnO_3(LSMO)粉料。将该粉体加压制成柱状并热压。热压后的样品进一步在1573k温度下烧结以得到致密的LSMO样品。PZT粉末压片，烧结，切割后极化，并在其表面固银生成电极。将制得的LSMO薄片其与PZT薄片用缓干型坏氧基树脂及硬化剂胶合得到所需多层膜样品。用X射线衍射方法表征了LSMO样品的结构。用SEM观察了LSMO样品的形貌，经过比较可以发现，热压法烧结的LSMO样品，其致密度要远高于非热压法烧结的样品。采用振动样品磁强计测量了样品磁性。相较于涂敷膜(tape casting)复合样品，该多层膜显示出更为优良的ME耦合效应。横向耦合要比纵向耦合更为强烈，并当外加磁场为150Oe时ME电压系数达到峰值。研究了a_E值与交变磁场频率间的关系。测量发现随着频率f的增加，a_(E·31)逐渐增加，在80KHz及170KHz处有两个小峰。当f=268KHz时，a_(E·31)达到最大值1300mv／cmOe，在频率f=268KHz，宽度⊿f=3KHz范围内发生了共振现象。分析表明由磁场和频率变化导致的ME系数变化的实验值与理论值符合的很好。为了适应磁电效应实际应用的要求，通过简化实验装置，提高样品灵敏度等方法，在前面工作的基础上，进一步研究了用单一磁场驱动的Tb_(1-x)Dy_xFe_(2-y)-Pb(Zr，Ti)O_3(TDF-PZT)层状复合物中的磁电效应。PZT粉料压成直径为10mm，厚度为1mm的薄片后，在1000℃～1200℃不同温度下烧结，再与Tb_(1-x)Dy_xFe_(2-y)胶合成系列弹性耦合多层膜样品。将样品与一大小合适的电容并联，并采取适当的绝缘措施使被测物构成一孤立系统，利用单一磁场驱动，在该系列样品中测量到了巨大的ME耦合效应。所得结果与以往利用双磁场驱动同种样品的结论有所不同。该技术可简化ME效应在某些实际应用中的复杂度。
参考文献：
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[6]. CoFe_2O_4-BaTiO_3磁电复合材料的制备及性能研究[D]. 聂军武. 南京航空航天大学. 2009
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[8]. Ni/PZT磁电复合薄膜的水热法合成与性能研究[D]. 何振鲁. 南京航空航天大学. 2011
[9]. 锰酸盐（稀土合金）—锆钛酸铅铁电铁磁多层膜中的磁电效应[D]. 印晓明. 南京师范大学. 2007