A位Y、Pr掺杂高居里温度Na0.5Bi4.5Ti4O15-Bi4Ti3O12复合陶瓷的电学性能研究

来源 :湖北大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:jinke1983
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无铅的铋层状结构材料因其具有高居里温度、良好的介温稳定性、低介电损耗以及一定的铁电压电性能,获得了越来越多的关注度,在铁电存储、高温陶瓷电容器、压电传感等领域有着广泛的应用。本论文选取具有代表性的Na0.5Bi4.5Ti4O15(m=4)和Bi4Ti3O12(m=3)两种铋层状结构压电材料作为研究对象,在构建复合陶瓷的基础上进行Pr,Y掺杂改性。论文中采用传统固相反应法制备了高温铋层状压电陶瓷,通过原位化学计量比偏移以及A位掺杂,系统研究了材料的微观结构、缺陷调控以及对介电、压电和铁电性能的影响,以期得到保有较高居里温度的同时,又能得到一定介电,铁电压电性能的高温铋层状结构压电陶瓷材料,以获得更广泛的实际应用。首先采用传统固相反应法制备了A位化学计量比偏移的的Bi4Ti3O12陶瓷,分子式为:Bix Ti3O6+1.5x,分析了A位化学计量比偏移对BIT陶瓷的介电铁电性能的影响。在保证单相的基础上,做了烧结温度为1100℃、1120℃和Bi含量分别为3.96,3.98,4.0,4.02,4.04的实验,实验结果发现,随着Bi含量的增加,介电常数有明显的提高,介电损耗减小。在10 k Hz下测量的最高介电常数为8967.49,最低介电损耗为0.0030,样品的居里温度约为670℃,与用同样方法制备的Bi4Ti3O12相比,其介电常数有了很大的提高。同一频率下,Bi3.98Ti3O11.97陶瓷的损耗值最低,分别为0.0021(10k Hz)和0.0029(250k Hz)。其次,制备了A位Pr掺杂的Na0.5Bi4.5Ti4O15-Bi4Ti3O12铋层状新型复合陶瓷。选取了稀土元素Pr作为掺杂量探究NBT-BIT陶瓷的介电、铁电、压电性能的调控方法和变化机理,掺杂量分别为0.1,0.2,0.3,0.4,0.5,稀土元素的引入使陶瓷在C轴方向的自发极化变为可能,克服矫顽场,提高材料的铁电压电性能。烧结温度选取了1040℃和1080℃,通过XRD分析其物相,单相,拉曼光谱分析陶瓷样品发红光,。通过烧结温度改变和掺杂量的变化调节NBT-BIT的铁电压电性能,当NBT-BIT-0.3Pr时,不管是在1040℃还是1080℃均有着最优的铁电性能,2Pr分别为2.8μC/cm2和10.68μC/cm2。最后,选取Y作为A位掺杂元素替代Bi开展进一步实验,通过Y掺杂量的改变,研究了Y含量对NBT-BIT-x Y(x=0.00,0.25,0.50,0.75,1.00)陶瓷材料微观结构和铁电介电性能的影响。结果发现,陶瓷居里温度超过660℃,并未有降低现象,X射线衍射分析表明,NBT-BIT-x Y陶瓷单相,无杂峰,随着Y3+掺杂量的增加,样品的衍射峰(201/021)逐渐变弱,表明样品的结构对称性由正交向四角相转变。扫描电子显微镜结果表明,随着Y掺杂量的增加,晶粒呈片状,尺寸略有减小。当x=0.25时,NBT-BIT-0.25Y有着最高的介电常数(约13591.2)和最小的介电损耗(约10-3)。
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