[发明专利]一种基于弛豫铁电相变的电场调控热膨胀行为的方法

说明书

技术领域

本发明属于铁电材料技术领域，涉及一种电场调控热膨胀行为的方法，尤其是一种基于弛豫铁电相变的电场调控热膨胀行为的方法。

背景技术

热胀冷缩是广泛存在于自然界的普遍现象，也是机械、电子、光学等许多领域面临的一个重要问题。由于组成材料的原子、离子、分子非简谐振动振幅会随温度上升而增大，大多数材料在升温过程中体积会膨胀。这种现象被称为正热膨胀。当一种材料被加热，其线性尺寸随着温度的升高而近似成比例的增加。随着温度的变化，材料的长度变化量为：

ΔL＝L₀α(ΔT)

其中ΔT表示温度的变化，L₀为加热前的初始长度，常数α为材料的热膨胀系数。对于固体材料而言，其热膨胀行为一般取决于该材料原子间键合力的种类和大小。因此，作为材料的基本属性，给定材料的热膨胀系数是一定的，即材料体积随温度的变化趋势与定量关系是不易被改变的。为了满足不同领域对材料热膨胀性能的要求，研究人员常采用将负热膨胀材料与正热膨胀材料复合来调控材料的热膨胀行为。但是复合方法会导致局部应力，加速材料的失效，最终缩短组件的寿命。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供一种基于弛豫铁电相变的电场调控热膨胀行为的方法，该方法利用铁电材料中的弛豫型铁电相变所导致的微结构的不均匀性，使同一个材料在不同的电场作用下能够呈现正热膨胀，零热膨胀，甚至负热膨胀，以满足不同条件下对材料热膨胀性能的要求。该功能性的实现在实际应用上具有重要意义，可以根据实际需求，人为适时适度精确调控材料的热膨胀行为。

本发明的目的是通过以下技术方案来解决的：

这种基于弛豫铁电相变的电场调控热膨胀行为的方法，包括以下步骤：

（1）选择基体铁电材料，使基体铁电材料满足以下条件：

1）基体铁电材料在降温过程中发生从高温顺电相到低温铁电相的铁电相变，并且这种铁电相变引起材料的体积膨胀；

2）基体铁电材料的铁电相变由外加电场驱动发生；

（2）向步骤（1）选择的基体铁电材料中进行缺陷掺杂；使充分掺杂后的基体铁电材料发生从高温顺电相到低温弛豫铁电态的相转变；

（3）利用原位透射电子显微镜对高温顺电相和低温弛豫铁电态进行结构对比分析，其必须满足的条件是：弛豫铁电态中纳米尺寸铁电畴的体积比相变前对应的顺电相的体积大；

（4）对此弛豫铁电材料施加不同大小的电场，通过改变材料中纳米尺寸铁电畴的数量和尺寸来调控其在升、降温过程中的热膨胀行为。

进一步的，上述步骤（2）中，缺陷掺杂包括任何可以导致发生弛豫铁电相变的缺陷。步骤（2）中，采用介电性能测试和原位透射电子显微镜观察来确定掺杂后的基体铁电材料发生从高温顺电相到低温弛豫铁电态的相转变。

以上步骤（4）中，材料在相变温度区间内的热膨胀系数由外加电场的大小决定，采用人为连续变化。

本发明具有以下有益效果：

本发明基于弛豫铁电相变的电场调控热膨胀行为的方法，使同一个材料在不同的应力作用下能呈现正热膨胀，零热膨胀，甚至负热膨胀，以满足不同条件下对材料热膨胀性能的要求。该功能性的实现在实际应用上具有重要意义，可以根据实际需求，人为适时适度精确调控材料的热膨胀行为，避免精密器件上可能产生的热应力、热振动。

附图说明

图1为本发明的对弛豫铁电材料在外加电场的条件下进行热膨胀性能测试的示意图；

图2为(Pb_0.83La_0.17)(Zr_0.4Ti_0.6)O₃材料的热膨胀性能随温度的变化关系曲线示意图。

具体实施方式