鈦酸鉍鈣高溫壓電和氧化鈦高介電材料的改性研究.pdf

1、介電材料和壓電材料是兩類重要的電子功能材料。高性能介電材料在設(shè)備小型化和高能量密度存儲上的巨大應(yīng)用一直是研究的熱點(diǎn)，它們具有高介電常數(shù)(εr＞104)、低介電損耗(tanδ＜5％)和很好的高頻穩(wěn)定性等優(yōu)異性能。最新研究發(fā)現(xiàn)，(In,Nb)共摻雜TiO2的介電損耗(tanδ)在很長的頻率范圍內(nèi)低于5％，其優(yōu)異的介電性能使其具有很大的開發(fā)潛力。因此，深入研究新型(In，Nb)摻雜的高介電TiO2材料，繼續(xù)提高其高介電性能，將會是一個(gè)很有前景

2、的工作。鉍層材料是重要的壓電材料，是由鉍層狀結(jié)構(gòu)化合物層和鈣鈦礦結(jié)構(gòu)的晶格層穿插交疊而成。它們主要應(yīng)用于高溫環(huán)境，例如，工作溫度為200-400℃的汽車和航空航天工業(yè)，甚至可以在核反應(yīng)堆等更高溫度下使用。CaBi4Ti4O15鉍層壓電陶瓷有著很高居里溫度(Tc=790℃)和低的介電損耗(tanδ＜0.3％)，在高溫傳感器上有很大應(yīng)用，也是近年來各國科學(xué)家研究的熱點(diǎn)，對其繼續(xù)進(jìn)行摻雜改性研究也有著重要的研究意義。
　　在上述研究背景

3、下，本論文主要研究了(In,Nb)摻雜的TiO2高介電陶瓷和AB位摻雜的CaBi4Ti4O15高溫壓電陶瓷的性能、結(jié)構(gòu)等，結(jié)論如下:
　　1.研究了(In，Nb)摻雜含量分別為1％、5％、10％對TiO2陶瓷性能影響，得出(In，Nb)摻雜量為5％的TiO2陶瓷有著較高的介電常數(shù)(εr＞104)和較低的損耗(tanδ≤5％)，所以選擇該TiO2陶瓷進(jìn)行深入改性研究?？紤]到In2O3在燒結(jié)過程中(850℃～930℃)具有很高的蒸氣壓

4、而容易升華，故在原來5％(In，Nb)摻雜量的基礎(chǔ)上增加In的含量來彌補(bǔ)In的揮發(fā)損失，研究其補(bǔ)償量對材料性能的影響，其化學(xué)結(jié)構(gòu)式為:(Nb0.5In0.5)0.05Ti0.95O2+xIn2O3(x=0.00，0.02，0.04，0.06，0.08)。研究得出x=0.04的樣品更加致密，密度最大。在頻率等于7KHz時(shí)，樣品x=0.04的介電損耗tanδ具有最小值1.28％。在40Hz～100KHz頻率范圍內(nèi)，樣品x=0.04的介電損耗

5、均小于5％;在147Hz～100KHz范圍內(nèi)，其介電損耗小于3％。樣品x=0.04的相對介電常數(shù)在40Hz～1 MHz范圍內(nèi)均大于104，相對介電常數(shù)隨著頻率的增加下降不明顯，體現(xiàn)出很好的頻率穩(wěn)定性。在溫度-50℃～150℃范圍內(nèi)，多加4％In2O3的樣品一直具有最小的介電損耗;在溫度為125℃時(shí)，其介電損耗仍能小于5％，說明該組分樣品的介電性能也具有良好的溫度穩(wěn)定性。
　　2.研究了B位(W，Nb)復(fù)合摻雜對CaBi4Ti4O1

6、5(CBT)陶瓷性能的影響。復(fù)合摻雜的化學(xué)結(jié)構(gòu)式為:CaBi4Ti4-x(W, Nb)x/2O15(x=0.00，0.02，0.04，0.06，0.08)，B位(W，Nb)復(fù)合摻雜大大提高了CBT的壓電常數(shù)d33、電阻率及介電特性。當(dāng)x=0.04時(shí)，壓電常數(shù)d33為20pC/N，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于純CBT的壓電常數(shù)。500℃時(shí)，樣品x=0.04的電阻率仍然高達(dá)106Ω·cm，具有很好的高溫穩(wěn)定性。室溫下，x=0.04的厚度振動機(jī)電耦合系數(shù)kt數(shù)值

7、為21.1％，遠(yuǎn)大于平面振動機(jī)電耦合系數(shù)kp(5.9％)，其介電損耗僅為0.18％，機(jī)械品質(zhì)因數(shù)Qm為6390，以上數(shù)據(jù)表明(W，Nb)摻雜CBT高溫鉍層結(jié)構(gòu)陶瓷的各項(xiàng)性能得到明顯提高。
　　3.研究了AB位同時(shí)摻雜對CaBi4Ti4O15陶瓷各項(xiàng)性能的影響，化學(xué)結(jié)構(gòu)式為:Ca0.8(Li,Ce)0.1Bi4Ti4-x(W, Nb)x/2O15(x=0.02, x=0.04, x=0.06, x=0.08)。 AB位同時(shí)摻雜使材料