(锌、镧、钐)掺杂钛酸钡基陶瓷的制备及其性能研究

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以钛酸钡或钛酸钡基固溶体为主晶相的铁电陶瓷,具有较高的介电常数,良好的铁电、压电、热释电性能。而纯钛酸钡的居里温度在120℃左右,限制了其在室温下的应用,且以单体形态存在的化合物的介电损耗、漏电流较大,不能满足应用要求。所以常以固溶体,或掺杂来改善其性能。为了提高钛酸钡陶瓷材料的应用领域,从整体上改善陶瓷材料的电性能。目前,改善钛酸钡性能的方法主要在掺杂、高活性原料的选取以及制备方法等方面进行。本论文对钛酸钡基陶瓷材料进行了复合掺杂,目的是为了制备出具有适中的电性能、低损耗、易烧结的铁电陶瓷材料。通过ZnO、ZnO-La2O3、ZnO-Sm2O3的掺杂,研究材料的微结构及电学性能的变化规律,为优质的陶瓷材料开发与应用作好前期的技术和数据储备。本文采用固相反应方法,分别制备了不同比例ZnO掺杂BaTiO3、ZnO-La2O3共掺杂BaTiO3陶瓷和ZnO-Sm2O3共掺杂BaTiO3陶瓷。利用X射线衍射对陶瓷样品的结构进行了考查,用铁电材料综合测试仪(TFAnalyzer2000,德国aixACCT)测量样品在不同测试条件下(如温度、频率等)的电滞回线,并利用压电测试仪(PM300)测试样品在室温下的电容、损耗和压电常数。本文主要内容包括以下几点:1.陶瓷材料的制备过程。采用传统的固相反应工艺,在1100℃条件下,预烧2h,得到BaTiO3粉体,掺杂后压制成圆片,在1400℃烧结条件下,煅烧2h,得到复合掺杂的BaTiO3基陶瓷。2.通过氧化锌的掺杂,陶瓷的主晶相为立方相,这主要是由于Zn2+进入到钛酸钡晶格中取代了Ti4+致使四方相钛酸钡晶格畸变为立方相。陶瓷的晶胞体积和晶粒尺寸都有所增大。并且Zn2+离子的掺杂在一定程度上促进了陶瓷的致密化烧结。掺杂后陶瓷材料的室温介电常数、铁电性和压电性都明显降低,材料的介电损耗也明显降低,介电损耗tanδ最小值为0.00723.在前文掺杂的基础上,进一步对ZnO定量,不同La2O3共掺杂BaTiO3陶瓷的相结构及电性能的研究。ZnO、La2O3的掺杂没有影响BaTiO3的结构,形成了均匀的固溶体,随掺杂量的增加,BaTiO3陶瓷样品常温介电常数先增加后减小,当La2O3掺杂量为10(at)%时,常温介电常数达到最大值2206.1557,压电常数最大为69pc/N,同时陶瓷样品的矫顽电场(Ec)、剩余极化强度(Pr)及漏电流都达到了最小值。当La2O3掺杂量为5(at)%时,陶瓷样品的常温介电损耗最小为0.0042。4. ZnO、Sm2O3掺杂对BaTiO3陶瓷的相结构及电性能的影响。ZnO、Sm2O3的掺杂与BaTiO3陶瓷形成了均匀的固溶体,没有发现第二相衍射峰。在掺杂组份中,当Sm2O3掺杂量为5(at)%时,室温介电常数达到最大值2924.6304;同时随Sm2O3掺杂量增加陶瓷样品的室温介电常数逐渐减小,当Sm2O3掺杂量为10(at)%时,BaTiO3陶瓷样品的常温介电损耗最小为0.0116。说明Sm2O3的掺杂能够在ZnO单一掺杂的基础上对其陶瓷的室温铁电、介电及压电性能略有提升作用。
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