稀土復(fù)合摻雜鈦酸鋇基納米介電陶瓷的研制及其性能、結(jié)構(gòu)的研究.pdf

1、電介質(zhì)陶瓷作為功能陶瓷在傳感、電聲和電光等技術(shù)領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用價(jià)值.劍橋大學(xué)的H.A.Pohl教授于1978年提出介電力學(xué)體系這一理論體系,根據(jù)這一理論,電介質(zhì)陶瓷還可以應(yīng)用在介電力學(xué)分離工藝中.目前該工藝已經(jīng)被應(yīng)用于環(huán)境中污染物的去除和燃料油中顆粒雜質(zhì)的去除,并取得了良好的效果,并且介電性能優(yōu)異的電介質(zhì)可以降低能耗、節(jié)約能源,起到保護(hù)環(huán)境的作用.鈣鈦礦介電材料由于其特有的鐵電、熱點(diǎn)、壓電等性質(zhì)受到人們的廣泛關(guān)注.鈦酸鋇作為最代表性的

2、介電材料具有較高的介電常數(shù),被廣泛應(yīng)用于多層陶瓷電容器的制備.結(jié)構(gòu)分析表明:在溫度高于120℃時(shí),鈦酸鋇晶體為立方相空間群O<'1><,h>-Pm3m.在溫度高于120℃時(shí),鈦酸鋇的介電常數(shù)最高,約為室溫介電常數(shù)的6倍.然而,制備條件以及摻雜組分(如稀土的摻雜)對(duì)鈦酸鋇介電性質(zhì)具有較大的影響,因此在電子陶瓷領(lǐng)域中,鈦酸鋇的制備和摻雜是人們普遍關(guān)注的一個(gè)焦點(diǎn).溶膠一凝膠法可以合成多組分鈦酸鋇基粉體,這種方法被認(rèn)為是一種接近綠色的"軟化學(xué)"

3、合成方法.只要將用這種方法制備的干凝膠在一定溫度下(通常低于1000℃)煅燒去除有機(jī)組分就可獲得陶瓷粉體. 本文首先綜述了鈦酸鋇粉體制備的各種方法,認(rèn)為液相法制備的粉體因具有純度高、成分均勻、粒徑小等特點(diǎn)而成為制備粉體主要方法,其中溶膠一凝膠法因其可制得多組分均勻摻雜的鈦酸鋇粉體,是極具發(fā)展前景的制粉方法；此外,總結(jié)了摻雜改性鈦酸鋇系陶瓷研究進(jìn)展.本論文采用溶膠.凝膠法制備了鈦酸鋇陶瓷、BCST(Ba<,0.62>Ca<,0.0

4、8>Sr<,0.3>TiO<,3>)陶瓷,制備了用固相、液相兩種方式摻雜稀土Pr<,6>O<,11>的BT:xPr<,6>O<,11>陶瓷,以及用溶膠.凝膠法合成BCST(Ba<,0.62>Ca<,0.08>Sr<,0.3>TiO<,3>)基質(zhì)粉體,二次固相同時(shí)摻雜兩種稀土Pr<,6>O<,11>和Nd<,2>O<,3>的BCST:0.001Pr<,6>O<,11>·xNd<,2>O<,3>系列陶瓷.采用XRD和SEM,等對(duì)粉體和陶瓷的

5、相組成、微觀形貌進(jìn)行了表征,并測(cè)試了陶瓷的介電性能.得出如下結(jié)論: 1.采用溶膠-凝膠法合成制備了鈦酸鋇納米晶粉體及陶瓷.經(jīng)XRD粉體衍射測(cè)試,所得鈦酸鋇粉體主要為四方相納米粉體；經(jīng)過(guò)SEM掃描電鏡觀察到陶瓷陶瓷平均晶粒大小約為5μm；通過(guò)介溫測(cè)試,所得陶瓷的居里溫度Tc為134℃. 2.采用溶膠.凝膠法合成制備了BCST納米晶粉體及陶瓷.經(jīng)XRD粉體衍射測(cè)試,所得BCST粉體主要為四方相納米粉體；經(jīng)過(guò)SEM掃描電鏡觀察

6、到陶瓷平均晶粒大小約為8μm；通過(guò)介溫測(cè)試,與純BT陶瓷相比,陶瓷的居里峰向低溫方向移動(dòng)并展寬壓低,而介電損失比較低,所得陶瓷的居里溫度Tc為12℃. 3.制備了用固相、液相兩種方式摻雜稀土.Pr<,6>O<,11>的BT:xPr<,6>O<,11>納米粉體及陶瓷,并進(jìn)行了對(duì)比.發(fā)現(xiàn):對(duì)于液相摻雜稀土Pr<,6>O<,11>稀土Pr<,6>O<,11>的BT:xPr<,6>O<,11>納米粉體及陶瓷,x=0.005為最佳摻雜量,

7、經(jīng)XRD粉體衍射測(cè)試,所得BT:0.005Pr<,6>O<,11>粉體主要為四方相納米粉體,經(jīng)過(guò)SEM掃描電鏡觀察到陶瓷陶瓷平均晶粒大小約為300nm,通過(guò)介溫測(cè)試,與純BT陶瓷相比,BT:0.005Pr<,6>O<,11>陶瓷的居里峰向低溫方向移動(dòng),介損也明顯降低,陶瓷的居里溫度TC為68℃；對(duì)于固相摻雜稀土Pr<,6>O<,11>的BT:x Pr<,6>O<,11>納米粉體及陶瓷,x=0.001為最佳摻雜量,經(jīng)XRD粉體衍射測(cè)試,所

8、得BT:0.001:Pr<,6>O<,11>粉體主要為四方相納米粉體,經(jīng)過(guò)SEM掃描電鏡觀察到陶瓷陶瓷平均晶粒大小約為500nm,通過(guò)介溫測(cè)試,與純BT陶瓷相比,BT:0.001Pr<,6>O<,11>陶瓷的居里峰向低溫方向移動(dòng)并展寬,介損也明顯降低,所得陶瓷的居里溫度Tc為118℃,此外,在大約34℃曲線有另一較低介電峰值,呈現(xiàn)雙峰效應(yīng).經(jīng)過(guò)對(duì)比發(fā)現(xiàn):與液相摻雜所獲得的BT:0.005Pr<,6>O<,11>陶瓷相比,固相摻雜所獲得的

9、BT:0.001Pr<,6>O<,11>陶瓷晶粒發(fā)育較好,氣孔較少,晶粒間結(jié)合更加緊密；固相摻雜所獲得的陶瓷居里點(diǎn)雖沒(méi)有液相摻雜所獲得的陶瓷的居里點(diǎn)低,但是,固相摻雜的居里峰明顯展寬壓低,比液相摻雜所獲得的陶瓷在室溫時(shí)具有較高的介電常數(shù)和較低的介電損失. 4.采用溶膠.凝膠法合成了BCST納米晶粉體,制備了用二次固相摻雜法摻雜稀土Pr<,6>O<,11>和Nd<,2>O<,3>的BCST:0.001Pr<,6>O<,11>·x

10、Nd<,2>O<,3>粉體及陶瓷.發(fā)現(xiàn)x=0.002為最佳摻雜量,經(jīng)XRD測(cè)試,所得BCST:0.001Pr<,6>O<,11>·0.002Nd<,2>O<,3>粉體主要為四方相納米粉體；經(jīng)過(guò)SEM掃描電鏡觀察到陶瓷陶瓷平均晶粒大小約為6μm；通過(guò)介溫測(cè)試,與純BT陶瓷相比,陶瓷的居里峰向低溫方向移動(dòng),而介電損失比較低；與BCST陶瓷(Tc=12℃)相比,BCST:0.001Pr<,6>O<,11>·0.002Nd<,2>O<,3>陶瓷