1 1.大连理工大学1. 材料科学与工程学院
2 2.三束材料改性教育部重点实验室, 大连 116024
为了改善CrAlN薄膜的摩擦性能, 本研究在增强磁过滤脉冲偏压电弧离子镀设备上, 用分离靶弧流调控技术在硬质合金基体上分别制备了不同成分的CrAlN-DLC硬质复合薄膜, 并采用不同手段表征了薄膜的表面形貌、成分、相结构以及力学和摩擦性能。结果表明, 不同成分薄膜表面均平整致密, 膜厚均在1.05 μm左右。随着靶弧流比IC/ICrAl的升高, 薄膜中碳的原子分数由33.1%升至74.6%。薄膜的相结构主要由晶体相和非晶相复合组成, 其晶体相主要为c-(Cr,Al)N相, 且随着碳含量增大晶体相减少、晶粒尺寸减小, 其非晶相主要为DLC, 其中sp2/sp3的比值随碳含量增大而减小。相应地, 薄膜的硬度随着碳含量增大而提高, 当碳的原子分数为74.6%时, 达到最大值(26.2±1.4) GPa, 且该成分点处薄膜摩擦系数也降至最小值0.107, 磨损率仅为3.3×10-9 mm3/Nm。综合而言, 当非晶DLC相最多时, CrAlN-DLC复合薄膜的综合性能达到最佳, 较之CrAlN薄膜, 摩擦性能显著提高。
电弧离子镀 硬质复合薄膜 CrAlN-DLC 成分 相结构 硬度 摩擦性能 arc ion plating hard composite films CrAlN-DLC composition phase structure hardness friction performance
景德镇陶瓷大学材料科学与工程学院，江西省先进陶瓷材料重点实验室，江西 景德镇 333000
采用传统固相法制备了(1-x)BiFeO3-xBaTiO3 (BF-xBT，x=0.28, 0.29, 0.30, 0.31)压电陶瓷，研究了其在相界附近的相结构演化与介电、铁电性能和压电性能的变化关系。结果表明，所有样品均呈现出钙钛矿相结构且无任何杂相，且均位于三方-赝立方相相界附近，表现出三方、赝立方两相共存状态。随着x的增加，相结构中赝立方相相含量逐渐增加，而三方相相含量逐渐减少，当x=0.30时，样品的三方相与赝立方相含量趋于相近，表现出最佳的电性能：压电系数d33 =165 pC/N，剩余极化强度Pr = 26.80 μC/cm2，Curie温度TC =465 ℃。另外，淬火后样品的Raman振动模与弥散指数的显著变化表明淬火工艺能有效提高样品的长程有序度和铁电相的温度稳定性，致使BF-xBT体系陶瓷的Curie温度得到进一步提升。特别是对于BF-0.30BT陶瓷样品，由于更合适的三方-赝立方相相比例和淬火工艺，介电和铁电性能均得到增强。本工作揭示了BF-xBT陶瓷样品相结构演化与压电性能的关系，并通过淬火工艺进一步优化BF-xBT陶瓷的电性能，从而为拓宽BF-BT体系材料的应用温度范围提供参考依据。
铁酸铋-钛酸钡 相结构 淬火工艺 压电陶瓷 bismuth ferrite-barium titanate phase structure quenching process piezoelectric ceramics
Author Affiliations
Abstract
School of Materials Science and Engineering, Liaocheng University, Liaocheng 252059, P. R. China
Considering the advantages of high Curie temperature and environment-friendly nature of KNN piezoelectric ceramics, the limitation of weak piezoelectric response and their temperature sensitivity to applications is worth exploring. Herein, the <001> textured (1-)(KNa)(NbSb)O3-(BiNa)HfO3( = 0.01−0.045) lead-free ceramics were synthesized by templated grain-growth method. The high piezoelectric performance (d of 474 pC/N and strain of 0.21%) and excellent temperature stability (unipolar strain maintained within 4.3% change between 30C and 165C) were simultaneously achieved in the textured KNNS-0.03BNH ceramics. The high piezoelectric performance can be attributed to the summation of the crystallographic anisotropy and phase structure contributions in <001> textured ceramics. The superior temperature stability of piezoelectric properties can be interpreted by the contribution of crystal anisotropy to piezoelectric properties reduces the effect of phase transition on piezoelectric properties deterioration. This study provides an effective strategy for simultaneously achieving high piezoelectric properties and superior temperature stability in KNN-based textured ceramics.Considering the advantages of high Curie temperature and environment-friendly nature of KNN piezoelectric ceramics, the limitation of weak piezoelectric response and their temperature sensitivity to applications is worth exploring. Herein, the <001> textured (1-)(KNa)(NbSb)O3-(BiNa)HfO3( = 0.01−0.045) lead-free ceramics were synthesized by templated grain-growth method. The high piezoelectric performance (d of 474 pC/N and strain of 0.21%) and excellent temperature stability (unipolar strain maintained within 4.3% change between 30C and 165C) were simultaneously achieved in the textured KNNS-0.03BNH ceramics. The high piezoelectric performance can be attributed to the summation of the crystallographic anisotropy and phase structure contributions in <001> textured ceramics. The superior temperature stability of piezoelectric properties can be interpreted by the contribution of crystal anisotropy to piezoelectric properties reduces the effect of phase transition on piezoelectric properties deterioration. This study provides an effective strategy for simultaneously achieving high piezoelectric properties and superior temperature stability in KNN-based textured ceramics.
Textured ceramics phase structure piezoelectric properties temperature stability Journal of Advanced Dielectrics
2022, 12(5): 2244006
华中科技大学光学与电子信息学院, 武汉 430074
电卡效应通过电场诱导极性材料的相变和偶极子取向, 进而引起材料的熵变和温变、控制材料的吸、放热过程, 可用于热搬运和制冷。电卡制冷无须危害环境的制冷剂, 且具有效率高、体积小和重量轻的特点, 可为节能环保制冷技术的实现提供新的解决方案。铁电材料电卡效应的增强是电卡制冷走向实用的关键。铁电陶瓷极化率高、相结构丰富且调控方法多样, 在电卡效应研究中备受关注。本工作介绍了基于不同材料体系的铁电陶瓷薄膜、块体和多层厚膜的电卡效应, 讨论了电卡性能与材料配方、相变行为和微结构间的内在联系, 归纳了材料电卡效应的调控方法。最后, 对铁电陶瓷的未来研究进行了展望。
固态制冷 电卡效应 铁电陶瓷 相结构 熵变 温变 solid-state cooling electrocaloric effect ferroelectric ceramic phase structure entropy change temperature change
铁电薄膜由于其优异物理性能，而被广泛应用于微电子、光电子、微机电领域。在铁电薄膜理论研究方面，热力学理论可以有效地预测铁电薄膜的相结构、极化特性和机电性能等，且已在(001)取向铁电薄膜的研究中取得了较好的应用，而对于(111)取向铁电薄膜的研究报道非常少。因此，本文通过对序参量坐标转换的方法，构建了(111)取向薄膜的热力学势能函数及其机电性能计算方法。基于此，研究了(111)取向0.7PMN-0.3PT铁电薄膜的相结构及其机电性能。研究结果表明，(111)取向0.7PMN-0.3PT铁电薄膜的相结构主要存在沿晶轴方向三个极化可互换的对称相：顺电相PE、菱方相R和单斜相MA(或MB)。在应变和外电场的调控下，(111)取向0.7PMN-0.3PT薄膜展现出优良的机电性能，在R和MA相变点处，介电常数ε11、ε22、ε33和面外压电系数d33取得了极大值。在外电场E3分别为0、50 kV/cm、100 kV/cm和200 kV/cm时，面外介电常数ε33的峰值分别为4 382、2 646、2 102和1 600，面外压电系数d33的峰值分别为303.8 pm/V、241.9 pm/V、219.7 pm/V和195.1 pm/V。应变和外电场能够较好地调控薄膜的机电耦合性能，可为优异机电耦合性能的器件制备提供参考。
铌镁钛酸铅 铁电薄膜 (111)取向 相结构 热力学理论 压电系数 介电常数 lead magnesium niobium titanate ferroelectric thin film (111)-orientation phase structure thermodynamic theory piezoelectric coefficient dielectric constant
1 咸阳师范学院物理与电子工程学院，陕西 咸阳 712000
2 西安理工大学自动化学院，陕西 西安 710021
3 陕西科技大学电气与控制工程学院，陕西 西安 710021
拓扑绝缘体（TI）是一种具有特殊能带结构的新型量子物态。它的体内结构像绝缘体一样不导电，而表面像导体一样具有金属性能够导电，能够实现无损耗传播能量和信息，良好的光学透射率。利用平面角谱展开法和传输矩阵理论研究了拉盖尔-高斯（LG）光束入射分层拓扑绝缘体（TI）薄膜的相位分布特征。数值结果表明，反射场和透射场中LG光束的相位结构会随着拓扑磁电极化率（TMEP）的变化而变化，尤其是p波的相位分布中心轴发生左移或者右移的现象。拉盖尔-高斯LG光束入射分层拓扑绝缘体介质薄膜相位分布特征在无线激光通信、光学囚禁、微粒操纵、非线性光学以及信息编码等领域有一定意义。
表面光学 拉盖尔-高斯光束 拓扑绝缘体 相位结构 分层介质 传输矩阵理论 激光与光电子学进展
2022, 59(5): 0524002
江苏科技大学 材料科学与工程学院, 江苏 镇江 212003
采用传统固相法制备了Ca1-xBaxCu3Ti4O12(x=0, 0.005, 0.010, 0.020, 0.030, 0.040, 0.050, 0.100, 摩尔分数) 陶瓷。用X线衍射仪、扫描电子显微镜、介电温谱测试系统及阻抗测试仪研究了Ba2+掺杂量的变化对Ca1-xBaxCu3Ti4O12陶瓷的相结构、微观形貌及电性能影响。研究结果表明, 随着Ba2+掺杂量的增加, 陶瓷试样产生了第二相CuO, 同时Ba2+掺杂使CaCu3Ti4O12的晶格常数增大。Ca1-xBaxCu3Ti4O12陶瓷的晶粒尺寸随Ba2+掺杂量的增加而减小, 气孔率随之降低。掺杂适量的Ba2+可有效降低CaCu3Ti4O12陶瓷的介电损耗, 也可降低相对介电常数随温度的变化率。一定量的Ba2+掺杂还能增加CaCu3Ti4O12的晶界电阻。
固相法 CaCu3Ti4O12陶瓷 相结构 微观形貌 电性能 solid state method CaCu3Ti4O12 ceramics phase structure microstructure electric property
1 材料科学与工程学院 大连理工大学, 大连 116024
2 三束材料改性教育部重点实验室, 大连 116024
采用电弧离子镀的分离靶弧流调控技术在硬质合金基体上制备了4组不同Al含量的Cr1-xAlxN硬质薄膜, 采用SEM、XPS、GIXRD、Nanoindenter及划痕仪分别表征了薄膜的形貌、成分、相结构和力学性能。结果表明: 4组薄膜厚度分别为1.28、1.42、1.64和1.79 μm; 成分x随着Al靶的弧流相对增大而增大, 分别为x=0.41、0.53、0.64和0.73; 相结构与成分密切相关, 当x=0.41时, 薄膜呈单一的c-(Cr,Al)N相, 而当x≥0.53时, 则由c-(Cr,Al)N相和hcp-AlN相混相构成; 随着Al含量增加, 晶粒尺寸先减小后增大, 在x=0.64时达到最小值8.9 nm; 相应地硬度则先增大后减小, 在x=0.64时达到峰值35.3 GPa; 4组Cr1-xAlxN薄膜的膜基结合良好, 结合力均在60 N以上。综合测试结果发现, 当x=0.53时, Cr1-xAlxN薄膜的韧性最佳, 弹性恢复系数最高为57.4%, 同时兼具较高的硬度34.7 GPa, 此时薄膜具有最佳的综合性能。
电弧离子镀 CrAlN 硬质薄膜 成分 相结构 力学性能 arc ion plating Cr1-xAlxN hard films composition phase structure mechauical properties
