钛酸铋钠及铌酸锶钡基无铅弛豫铁电陶瓷的性能研究

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作者袁芯
来源南京大学
出版年2020
摘要
弛豫铁电材料在微位移器、信息存储器、智能电容器等电子设备中有着重要的应用。近年来,随着人们绿色生态保护意识的增强以及对于电子设备使用要求的提高,无铅弛豫铁电体材料受到越来越多的关注。然而,与获得广泛工业应用的铅基弛豫铁电陶瓷相比,虽然无铅陶瓷具有无污染的优点,但是其电学性能却往往低于含铅陶瓷,因此很难实现器件的商业化,为此,需要对其作出改性研究,以提高性能特点。在众多的改善方法中,化学掺杂是其中最有效,也是最可行的方法之一。本文选取了钙钛矿结构氧化物钛酸铋钠以及钨青铜结构氧化物铌酸锶钡作为研究对象,通过化学掺杂分别使其形成复合物和固溶体陶瓷,研究了陶瓷的弛豫铁电特性。实验结果表明,制备出的两种陶瓷均具有优异的电学性能,有望今后在高温电容器,电介质电容器等方面得到重要应用。本文工作包括:(1)采用固相烧结法制备了0.82[0.94Bi0.5Na0.5Ti O3-0.06Ba Ti O3]-0.18Ca Zr O3:x Zn O(x=0,0.10,0.20,0.30,0.40)复合陶瓷(BNT-BT-CZ:x Zn O)。XRD测试结果显示:除x=0样品具有钙钛矿单相结构外,其余样品均为Zn O和BNT-BT-CZ形成的两相复合结构;SEM测试结果表明:Zn O分布在BNT-BT-CZ的晶界处,并且具有聚集长大的趋势;介电性能测试结果显示:所有样品均具有良好的介电性能,1k Hz下,(35)??r/??r,150°C0.75Ba0.25Nb2O6-x[0.94Bi0.5Na0.5Ti O3-0.06Ba Ti O3](x=0,0.05,0.10,0.15,0.20)陶瓷,并利用XRD和SEM对其进行了结构测试。结果显示:所有样品均为钨青铜的单相结构,并且所有晶粒呈现出具有各向异性的柱状晶粒,长径比在x=0.20时达到最大10.5;此外,介电和铁电性能测试结果显示:样品的铁电-顺电转变温度Tc、最大介电常数?r,max以及饱和极化强度Ps从x=0样品的36°C,507,3.2?C/cm2下降到x=0.10样品的-61°C,365,2.0?C/cm2再增加至x=0.20样品的43°C,1167,5.5?C/cm2,上述结果可归因于在钨青铜晶格中,占据B空位的Ti4+与占据A空位的Ba2+对于铁电性的竞争作用,其中,Ti4+降低铁电性,而Ba2+增加铁电性;最后,由于样品可以表现出几乎接近于理想状态下的弛豫性质,因此通过储能计算公式可得,该固溶体具有优异的储能性能,其中最佳组分x=0.10样品的储能效率可以高达93%,这为设计高性能新型固溶体提供了一种新思路。

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