钛酸钡基陶瓷材料及铟铌共掺杂二氧化钛基陶瓷材料的物性研究

发布时间：2019-02-20 09:05

【摘要】：压电材料和介电材料是两类重要的功能电子材料。压电材料是可以实现电能与机械能相互转换的一类重要的功能材料,在驱动器、传感器、超声换能器、滤波器、蜂鸣器、电子点火器等各类电子元件和器件中发挥着重要的作用。压电陶瓷由于制备成本低、工艺简单、易加工成各种形状以及易于掺杂取代等优点而成为用量最大的压电材料。目前锆钛酸铅(Pb(ZrxT1-x)O3,简称PZT)陶瓷材料依靠其优异的压电性能和良好温度稳定性占据着压电材料的主要市场。但是PZT压电陶瓷在生产制备过程中含有大量的铅基氧化物,因此对环境友好型的无铅压电陶瓷材料的探究是一项重大具有现实意义的课题。介电材料是一类利用材料的介电性来制造电容器件的电子材料。由于电容器既可以作为电路中的基本元件又可以作为储能器件来使用,因而器件的小型化、高性能化、高可靠性等是当今电容器的发展趋势,同时这也对作为制备介质电容器关键部分的电介质材料提出了更高的应用要求。因此,制备出介电常数大、损耗低、可耐强电场和温度稳定性好的优异综合性能的高介电材料也是一项极其具有挑战性的任务。在上述背景下,本论文主要开展了钛酸钡(BaTiO3)基陶瓷材料和铟铌共掺杂二氧化钛((In,Nb)0.01Ti0.99O2)基陶瓷材料制备、物性行为规律以及相关机理的研究。BaTiO3是学术研究与工业应用领域中的一种非常基础的铁电材料,在压电材料发展的早期曾得到了较为广泛地应用。后来被具有优异压电特性的PZT陶瓷取代了其在压电材料市场的主要地位。但值得关注的是,近年来在BaTiO3压电陶瓷材料的研究方面,国内外取得了一些重要的研究进展,并报道了更高的d33值。当前作者所在研究组利用BaTiO3水热粉为原料采用热压烧结方式制备BaTiO3陶瓷的d33值高达574 pC/N。这些研究进展启示人们应该对BaTiO3基陶瓷的压电物性和应用潜能进行重新的思考,BaTiO3基陶瓷有希望发展成为可以部分替代PZT陶瓷的环境友好型材料。近年来,为了获得高压电活性的BaTiO3陶瓷,国内外研究者对其压电效应随微观结构(尤其是晶粒尺寸)的变化做了大量的工作。尽管逆压电效应对于例如驱动器等应用方面有着同样至关重要的作用,但是目前关于BaTiO3陶瓷逆压电效应与微观结构之间影响关系的系统报道甚少。因此本论文系统的考察了BaTiO3陶瓷的逆压电晶粒尺寸效应,并对电畴结构与场致应变之间的关系进行了探讨。不仅可以获得提高BaTiO3陶瓷场致应变的因素,而且有助于通过比较正、逆压电晶粒尺寸效应探究场致应变与BaTiO3陶瓷电畴结构的关系。Ti02陶瓷是一种介电常数约为120、损耗低、电导率低、抗击穿电场强度高的介电材料。因其对较高储存密度电容器的应用具有重要的研究价值和意义而成为被广泛关注的对象。近期,澳大利亚国立大学的Liu所在的研究组对金红石型Ti02进行了(In, Nb)共掺杂,所得到的(In, Nb)共掺杂Ti02陶瓷呈现极大的ε'(≥104)和较低的tan8(5%),而且在80 K至450 K的宽温度范围内ε'基本上不随温度发生变化,表现出良好的温度稳定性。这一成果的报道或许对研究具有优异介电特性的材料开辟了新的途径。此后,不断出现了一些关于(In, Nb)共掺杂Ti02陶瓷的文献报道。但是,对其巨介电性能的产生机制目前仍然存在较大的争论,所以通过进一步的研究来澄清其机制就显得尤为重要。另外,由于(In, Nb)共掺杂Ti02陶瓷(简称为INTO陶瓷)抗击穿电场强度值太低而不能满足实际应用需要,因而如何提高其耐击穿电场强度也是一个亟待解决的问题。本论文以传统固相反应法普通烧结方式制备的BaTiO3基陶瓷材料及INTO基陶瓷为研究对象。考察了BaTiO3陶瓷的正、逆压电晶粒尺寸效应并探讨了其相关机理,并制备了较好温度稳定性的BaTiO3基压电陶瓷。考察了INTO陶瓷的微观组织结构、介电、复阻抗谱以及耐击穿电场值等电学性质,探讨了其高介电性的起源机制,并制备了具有更高耐击穿电场强度的改性INTO陶瓷。一、本论文对由固相反应法制备的、具有不同晶粒尺寸的一系列BaTiO3陶瓷的压电特性和铁电性质进行了深入的考察。研究发现BaTiO3陶瓷的压电特性对晶粒尺寸具有显著的依赖性。正压电系数d33值随平均晶粒尺寸有着明显的变化,从晶粒尺寸为40 μm时的170 pC/N变化到晶粒尺寸为1.2 μm时的压电常数的峰值413 pC/N,而后随着晶粒尺寸的进一步减小而降低。通过测试单向的场致应变(S-E曲线来表征逆压电效应,选择较大电场所对应的S-E曲线的斜率来计算进而量化出BaTiO3陶瓷的逆压电常数d33*值。有趣的是,对于本实验中所考察的所有BaTiO3陶瓷,d33*值随平均晶粒尺寸的变化行为与d33值随晶粒尺寸的变化行为基本类似。最大剩余极化Pr值也同样随着晶粒尺寸的减小呈现先增加,在晶粒尺寸为3.3μm时呈现峰值,然后随着晶粒尺寸的减小而进一步减小的变化趋势。此外,BaTi03陶瓷的电畴构型也随着晶粒尺寸的变化而不同。在探究BaTiO3陶瓷正、逆压电性能的过程中我们发现,不同的畴构型对BaTiO3陶瓷压电性的影响较大。晶粒尺寸较小的BaTiO3陶瓷因其具有规则而稳定的平行带状900畴结构而表现出较高的压电性能,其压电常数d33高达413 pC/N。另外,对畴结构与逆压电晶粒尺寸效应的一系列分析表明,非180°畴的翻转是影响BaTiO3陶瓷逆压电性的主要因素。最大剩余极化是影响BaTiO3陶瓷的压电性的主要因素之一,同时也是衡量非180。畴翻转度的一个重要指标。由于BaTiO3陶瓷的最大剩余极化与压电常数d33、逆压电常数d33*随晶粒尺寸的变化趋势基本一致。另外,研究表明对畴壁运动起到了钉扎阻碍作用的缺陷也影响着畴壁运动对BaTiO3陶瓷压电性的贡献。总的来说,通过一系列的分析我们认为BaTiO3陶瓷的正、逆压电晶粒尺寸效应受到电畴结构、最大剩余极化以及缺陷等三方面的影响。二、本论文采用传统固相反应法制备了Ba(Ti0.96Sn0.04)O3无铅压电陶瓷,研究了其压电性能、介电性能、铁电性能、微观结构等物理特性。通过对比研究表明,原料以及制备工艺对Ba(Ti0.96Sn0.04)O3陶瓷样品的压电性具有较大影响。Ba(Ti0.96Sn0.04)O3陶瓷样品的TO-T提高到36.9℃,并且在TO-T附近的热滞只有1.8℃,表现出更加优异的温度稳定性。电滞回线表现出理想的近似矩形饱和曲线,其剩余极化强度Pr为18.9μC/cm2,矫顽场Ec为2.5 kV/cm。非180°畴的极化翻转是引起Ba(Ti0.96Sn0.04)O3陶瓷样品具有大的逆压电常数d33*的主要因素,其值可达550 pm/V。三、本论文对影响INTO陶瓷的高介电物性行为的因素进行了探讨。研究表明,经过冷等静压成型处理的大块样品整体均匀性更好。在探究退火热处理对材料介电物性影响时我们发现,相对未退火样品,退火后的样品介电常数和损耗明显减小,类德拜弛豫色散频率向更高频率处移动,介电频谱平台变宽。样品的厚度对材料介电物性的影响较大,究其原因与样品氧化层的厚度相关。四、为了澄清INTO陶瓷高介电性的起源机制,本论文采用对比论述的方式探究了未退火和退火热处理的两种陶瓷。研究发现,退火热处理后的INTO陶瓷介电损耗变小,介电常数约为1.1×104,并且在较宽的频率段内几乎不随频率发生改变,呈现出一个介电频谱平台。特别的是,在很宽的频谱范围内其介电损耗小于2%,而且有相对较高的抗击穿电压值。定性上来讲,这两种陶瓷的表现是相同的,都在低频时出现一个巨介电响应,在1 MHz附近处有类德拜介电弛豫。通过对两种INTO陶瓷的复阻抗谱进行系统分析,发现其复阻抗谱应该包括三个Cole-Cole半圆弧,并且这三个半圆弧分别代表三种不同的电学机制。此外,提出了由三个并联的RC元件串联在一起组成的等效电路,并且可以很好的解释了INTO陶瓷在实验上观察到的介电特性和电学行为表现。因此,本论文推断INTO陶瓷的高介电性是由内阻挡层电容效应所致,低频处的巨介电响应是由于非欧姆接触引起的。五、尝试利用Zr4+对(In, Nb)共掺杂TiO2陶瓷中的部分Ti4+实施了等价离子置换,成功制备出利用微量ZrO2改性的INTO陶瓷。并对改性陶瓷的微观组织结构、介电特性以及复阻抗等进行深入的探究,以期能够达到提高其抗击穿电场强度的目的。研究表明,ZrO2改性INTO陶瓷呈现出与INTO陶瓷相类似的高介电物性。特别的是,退火处理后的组分为In0.005Nb0.005Zr0.04Ti0.95O2陶瓷样品的介电常数在3 mHz-10 MHz频率范围内对频率的依存性很小,在低频处仍然呈现平缓增加的状态,并没有发现低频的巨介电响应,而其损耗在低频处随频率的降低也呈现平缓增加的趋势。此外,I-V特性曲线表明,当电流密度达到0.1 mA/cm2时,该陶瓷的电场强度为1600 V/cm,击穿电场可达2000 V/cm以上。究其原因,我们认为晶界电阻Rgb值的提高是In0.005Nb0.005ZrxTi0.99-xO2 (x=0.01,0.02,0.04,0.08)陶瓷抗击穿电场强度增强的主要作用。
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【学位授予单位】：山东大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TQ174.1

【参考文献】