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钡基铋层状铁电陶瓷钛酸铋钡和铌酸铋钡的掺杂改性与老化研究

作　者: 余柏威
导　师: 孙大志
学　校: 上海师范大学
专　业: 无机化学
关键词: 铋层状结构铁电体介电性能铁电性能老化 A-位掺杂
分类号: TQ174.1
类　型: 硕士论文
年　份: 2013年
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内容摘要

铋层状化合物是一类通常具有较高居里温度的铁电体材料，在集成铁电技术中占有重要地位。本论文首先系统地考察了镧元素和钪元素置换铋元素对铋层状化合物的微观结构及介电、铁电和老化性能等方面的影响，并讨论了层状结构稳定性与A位平均离子半径的关系。最后进一步通过其他稀土元素（Y，Nd）取代铋来讨论与分析A位取代对Ba基铋层状化合物的介电、铁电和老化性能等方面的影响。在对La³⁺置换的BaBi₄Ti₄O₁₅的研究中，X射线衍射及SEM的分析都表明，掺杂了La³⁺的BBT陶瓷粉体除了一些峰的强度有所变化外，并未出现杂相，有利于减少纯BBT预烧过程中出现的焦绿石相并有利于提高陶瓷烧结致密度。相应地，介电性能和P-E关系显示，掺杂了La³⁺提高了陶瓷室温相对介电常数，降低了陶瓷的介电损耗。BaBi₄Ti₄O₁₅的铁电性并因为La³⁺的掺杂而消失。对于老化性能，在老化时间为90d的条件下，La³⁺的掺杂有效地抑制了Ba（Bi1?xLax）4Ti₄O₁₅陶瓷的室温相对介电常数（εr）的减少趋势。类似的规律同样出现在Sc³⁺置换的BaBi₄Ti₄O₁₅的研究中。掺杂Sc³⁺的陶瓷样品的的焦绿石相的含量已经显著降低，当掺杂量为1at%时，几乎呈纯的钙钛矿结构。相较于La³⁺，Sc³⁺离子掺杂的陶瓷更加致密。但是，Sc³⁺离子的置换对于陶瓷样品的介电和铁电性能方面的贡献并不突出。对于老化性能，陶瓷样品变“硬”的趋势增强，陶瓷的老化减缓。作者认为，导致上述现象的从微观结构上分析，可能有两方面的原因：其一，La³⁺/Sc³⁺的取代，弥补了Bi³⁺的挥发所产生的缺位，有利于提高陶瓷的致密度，降低陶瓷的介电损耗；同时，La-O和Sc-O的键能均大于Bi-O，有利于提高陶瓷结构的稳定性，进而从而使得陶瓷样品有变“硬”的趋势，减缓了陶瓷的老化。为了进一步理清A位掺杂对铋层状化合物的微观结构及介电、铁电和老化性能等方面的影响，作者研究了La³⁺/Sc³⁺/Y³⁺/Nd³⁺置换的BaBi₂Nb₂O₉（BBN）陶瓷。掺杂Sc³⁺离子的BBN陶瓷粉体致密度较好，粒径分布比较均匀，晶粒形貌明显呈板状，这是由于铋层状化合物具有层状结构。有利于提高陶瓷的室温相对介电常数，降低了陶瓷的介电损耗。掺杂La³⁺和Y³⁺离子也有利于陶瓷四方相的形成，使得陶瓷具有较好的层状结构。但是由于Nd³⁺的半径较大，置换发生后，不能有效的抑制由Bi₂O3在高温烧结中挥发所产生的空位。由于空位的存在，使得陶瓷在烧结中存在一定的气孔，降低了陶瓷烧结的致密度。对于介电方面，由于铌酸盐的存在，让BBN陶瓷既具有层状结构，又具有铌酸盐的钨青铜结构，所以随掺杂粒子的引入，陶瓷样品的室温相对介电常数变化趋势变得更加复杂，具体的机理还需进行研究和探索。

全文目录

中文摘要  4-6
Abstract  6-13
第一章文献综述  13-24
  1.1 引言  13
  1.2 铁电体  13-18
    1.2.1 铁电体的概述  13-15
    1.2.2 铁电体的基础理论  15-16
    1.2.3 铁电陶瓷材料的研究历史  16-17
    1.2.4 铁电陶瓷材料的合成方法  17-18
  1.3 铋层状铁电陶瓷材料  18-21
    1.3.1 铋层状化合物的结构  18-19
    1.3.2 铋层状化合物的分类  19-20
    1.3.3 BaBi_4Ti_4O_(15)铁电陶瓷  20-21
    1.3.4 BaBi_2Nb_2O_9铁电陶瓷  21
  1.4 老化性能研究  21-23
    1.4.1 老化机理  21-22
    1.4.2 老化规律  22
    1.4.3 影响老化的因素  22
    1.4.4 改善电性能老化的途径  22-23
      1.4.1.1 配方的改性  22-23
      1.4.4.2 高温氧化处理  23
      1.4.4.3 热处理预老化  23
      1.4.4.4 弱交流电场处理  23
  1.5 选题意义与研究内容  23-24
第二章陶瓷样品的制备与表征  24-28
  2.1 引言  24
  2.2 样品制备  24-26
    2.2.1 主要原料及试剂  24-25
    2.2.2 实验步骤  25-26
  2.3 陶瓷样品的性能表征  26-28
    2.3.1 X射线衍射(XRD)分析  26
    2.3.2 扫描电子显微镜分析  26
    2.3.3 介电性能(室温相对介电常数εr和介电损耗tanδ）的测量  26-27
    2.3.4 电滞回线  27
    2.3.5 介电老化性能  27-28
第三章 La~(3+)置换的BBT陶瓷  28-37
  3.1 引言  28
  3.2 实验与测试  28-29
  3.3 实验结果与讨论  29-36
    3.3.1 预烧温度和烧结成瓷温度的确定  29-31
    3.3.2 X射线衍射线(XRD)和微观结构(SEM)分析  31-33
    3.3.3 介电与铁电性能  33-35
    3.3.4 老化性能研究  35-36
  3.4 小结  36-37
第四章 Sc~(3+)置换的BBT陶瓷  37-44
  4.1 引言  37
  4.2 实验与测试  37-38
    4.2.1 样品的制备  37
    4.2.2 相结构(XRD)和微观结构分析  37-38
    4.2.3 介电与铁电性能分析  38
  4.3 实验结果与讨论  38-43
    4.3.1 物相XRD分析与微观结构(SEM)分析  38-40
    4.3.2 介电性能分析  40-41
    4.3.3 电滞回线  41-42
    4.3.4 老化性能分析  42-43
  4.4 小结  43-44
第五章 La~(3+)置换的BBN陶瓷  44-53
  5.1 引言  44
  5.2 实验与表征  44-46
    5.2.1 样品的制备  44-45
    5.2.2 陶瓷样品的性能测试与表征  45-46
      5.2.2.1 相结构与微观结构分析  45
      5.2.2.2 介电与铁电性能分析  45
      5.2.2.3 电导率测试  45
      5.2.2.4 径向相对收缩率测试  45-46
  5.3 实验结果与讨论  46-52
    5.3.1 陶瓷粉体预烧温度的确定及样品烧结特性  46-47
    5.3.2 X射线衍射(XRD)分析与微观结构(SEM)分析  47-49
    5.3.3 电导率  49-50
    5.3.4 介电性能  50
    5.3.5 介电老化性能研究  50-52
  5.4 小结  52-53
第六章 Sc~(3+)/Y~(3+)/Nd~(3+)置换的BBN陶瓷  53-60
  6.1 引言  53
  6.2 实验与测试  53-54
  6.3 实验结果与讨论  54-59
    6.3.1 X射线衍射(XRD)分析与微观结构(SEM)分析  54-58
    6.3.2 介电性能分析  58-59
  6.4 小结  59-60
第七章结论与展望  60-62
  7.1 结论  60-61
  7.2 对今后工作的展望  61-62
参考文献  62-67
致谢  67-68
附录：攻读硕士学位期间发表的文章  68

钡基铋层状铁电陶瓷钛酸铋钡和铌酸铋钡的掺杂改性与老化研究

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