钛酸铋钠掺杂钛酸锶钡铁电陶瓷的制备与性能研究

钛酸铋钠掺杂钛酸锶钡铁电陶瓷的制备与性能研究

0钛酸哌钠掺杂的影响20世纪60年代，smolenki等人成功地将钠胺成功合成。bn是a位的1:1复合而成的钙钛矿结构。在1.11的a位上形成了一个钙钛矿结构。在这一结构中，铁电单元具有较大的剩余极化强度、较高的待在期和较高的电压指数，具有良好的噪声性能。这种结构产生的铁电单元具有良好的介电性，如钛酸钠和锆粉的介电性损失、永压电的非线性和银积的温度可以适应更宽的温度，并且可以适应苯乙二醇和其他行业。随着电子装置的社会化和一体化，电子装置和微波装置的发展趋势，电子陶瓷的性能要求不断提高，尤其是需要达到x8r等标准。钛酸钡基陶瓷的居里温度较低,难以达到X8R等标准.由于钛酸铋钠具有较高的居里温度且与钛酸钡系材料有良好的固溶,两者固溶有可能提高钛酸钡基陶瓷的居里温度.但纯钛酸钡在居里温度时介电常数发生急剧变化,因此实际使用很少.Ba0.9Sr0.1TiO3陶瓷是实际使用较多的材料,具有较低的损耗和较大且随温度平缓变化的介电常数.因此,本实验中将钛酸铋钠掺杂到Ba0.9Sr0.1TiO3陶瓷中,由于较大含量的钛酸铋钠可能引起较大的介电损耗,故比例控制在1.5%以下,测试其结构和介电性能,分析居里温度的移动和对介电损耗的影响,研究掺杂改性的机理.1bnt的制备样品制备采用传统的固相反应法合成Ba0.9Sr0.1TiO3(BST)和Bi0.5Na0.5TiO3(BNT)陶瓷粉体,实验原料为分析纯的BaCO3、SrCO3、TiO2,Bi2O3和Na2CO3.首先将BaCO3、SrCO3按预定摩尔比为9∶1的比例混合,加去离子水球磨4h后出料烘干,在1150℃下预烧2h,初步制备出BST粉体.将Bi2O3及NaCO3按0.5∶0.5的比例混合,加酒精球磨4h后出料烘干,在1150℃下埋烧2h,得到BNT粉体.取不同质量分数的BNT与BST混合,其中BNT相对于BST的质量百分比分别为0、0.5、1.0、1.5%,4个样品相应标记为:BN1、BN2、BN3、BN4,加酒精进行二次球磨,然后出料烘干,加入PVA造粒模压成型为直径12mm、厚度约为1.2mm的圆片.排胶后在1280℃烧结,保温4h,得到陶瓷样片,对块材进行X线衍射(D/MAX-IIIC),分析其晶体结构.用SEM(JSM-6510LV)观测晶粒以及样品表面形貌、致密程度.样品两边镀银电极,用温度控制箱控制温度在-45~150℃范围内,用阻抗分析仪(TH2816型)表征其介电性能.2结果与讨论2.1xrd分析2.2掺杂0.5%bnt的陶瓷样品特征尺寸.图2是不同质量分数BNT掺杂的BST陶瓷样品的SEM图片,由图可见,晶粒的尺寸均为0.8μm左右,该尺寸为X7R材料的典型特征尺寸.随着掺杂量的增加,气孔越来越少.但掺杂0.5%BNT的陶瓷样品较纯BST样品,晶粒有所长大,且大小相对均匀.随着掺杂量的增加,样品的晶粒尺寸逐渐减小,这主要由于随BNT的增加,冗余的Na+离子在BST-BNT晶界外富集,氧空位的浓度增加,从而抑制了晶粒的长大.当掺杂量为1.5%BNT时,出现一定的过烧现象,表明BNT的加入可以降低BST的烧结温度.2.3中小热值陶瓷居里温度的半导化效应图3为BNT-BST的介电温谱.可以看出,样品具有明显的弛豫铁电体的特征.图3(a)为样品BN1(纯BST)在不同频率下的介电常数和介电损耗随温度的变化图.可以看出此样品在测试区间经历了两次相变,低温相变在15℃左右,为铁电-铁电相变,第二个相变温度约为105℃,为铁电-顺电相变,且居里温度不随测试频率的变化而变化.当测试温度低于居里温度时,介电常数随测试频率的升高而减小,介电峰略向高温方向移动,表现出一定的频率色散.在居里温度附近,介电常数达到峰值,约为5220.当温度高于居里温度时,介电常数的大小不随测试频率的变化而变化,样品的介电损耗均小于0.025,且随测试温度的升高而降低,随测试频率的升高而有增大的趋势.图3(b)为样品BN2(掺杂量BNT0.5%)的介电常数和介电损耗随温度的变化图,介电常数有很大的提高且随频率的增加峰值有所降低.介电损耗在高温区出现峰值,且在高温区,频率越大损耗越小,表现出明显的半导化效应.这主要由于BST掺杂量为0.5%时,产生了大量的氧空位所致.图3(c)和图3(d)分别为BN3(掺杂量BNT1.0%)和BN4(掺杂量BNT1.5%)样品的介电常数和介电损耗随温度的变化图.样品在居里温度分别约为115℃、120℃,介电峰值约为5000处,半导化现象消失,即产生了金属离子空位.由于BNT有较高的居里温度,BNT与BST复合后的陶瓷居里温度升高.BN3和BN4样品的介电常数和介电损耗均无明显区别.总之,BNT具有高于BST的居里温度,掺杂浓度不同,产生不同的效果:当BNT的掺杂量在0.5%左右时,因铋在A位替代Ba或Sr从而产生氧空位,导致样品的半导化而不适宜做器件;当BNT掺杂量在1.0%~1.5%时,半导化现象消失,10kHz以下介电损耗低于0.05,居里温度升高,与(1-x)BNT-xBT中随着BT含量的增加相变温度向低温区移动具有较好的一致性.3bnt掺杂量对bst晶相结构的影响在0.5%~1.5%的掺杂范围内,BNT与BST有良好的固溶,样品均呈现单一的钙钛矿相.当BNT掺杂量为0.5%,样品出现了部分较大晶粒,介电常数急剧增大并伴随频率弥散,介电损耗明显变大,表现出半导化的特征,在材料应用中应尽量避免在此范围掺杂.随BNT掺杂量的增加,在1.0%~1.5%的掺杂范围内,BST晶粒尺寸恢复原来大小,居里温度从105℃上升到120℃,且介电损耗仍然较低.图1