钛酸铋钙高温压电和氧化钛高介电材料的改性研究

发布时间：2017-12-11 22:25

  本文关键词：钛酸铋钙高温压电和氧化钛高介电材料的改性研究

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【摘要】：介电材料和压电材料是两类重要的电子功能材料。高性能介电材料在设备小型化和高能量密度存储上的巨大应用一直是研究的热点,它们具有高介电常数(εr104)、低介电损耗(tanδ5%)和很好的高频稳定性等优异性能。最新研究发现,(In,Nb)共掺杂TiO2的介电损耗(tanδ)在很长的频率范围内低于5%,其优异的介电性能使其具有很大的开发潜力。因此,深入研究新型(In,Nb)掺杂的高介电TiO2材料,继续提高其高介电性能,将会是一个很有前景的工作。铋层材料是重要的压电材料,是由铋层状结构化合物层和钙钛矿结构的晶格层穿插交叠而成。它们主要应用于高温环境,例如,工作温度为200～400℃的汽车和航空航天工业,甚至可以在核反应堆等更高温度下使用。CaBi4Ti4O15铋层压电陶瓷有着很高居里温度(Tc=790℃)和低的介电损耗(tanδ0.3%),在高温传感器上有很大应用,也是近年来各国科学家研究的热点,对其继续进行掺杂改性研究也有着重要的研究意义。在上述研究背景下,本论文主要研究了(In,Nb)掺杂的Ti02高介电陶瓷和AB位掺杂的CaBi4Ti4015高温压电陶瓷的性能、结构等,结论如下:1.研究了(In,Nb)掺杂含量分别为1%、5%、10%对Ti02陶瓷性能影响,得出(In,Nb)掺杂量为5%的Ti02陶瓷有着较高的介电常数(εr104)和较低的损耗(tanδ≤5%),所以选择该Ti02陶瓷进行深入改性研究。考虑到In2O3在烧结过程中(850℃～930℃)具有很高的蒸气压而容易升华,故在原来5%(In,Nb)掺杂量的基础上增加In的含量来弥补In的挥发损失,研究其补偿量对材料性能的影响,其化学结构式为:(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的样品更加致密,密度最大。在频率等于7KHz时,样品x=0.04的介电损耗tanδ具有最小值1.28%。在40Hz～100KHz频率范围内,样品x=0.04的介电损耗均小于5%;在147Hz～100KHz范围内,其介电损耗小于3%。样品x=0.04的相对介电常数在40Hz～1MHz范围内均大于104,相对介电常数随着频率的增加下降不明显,体现出很好的频率稳定性。在温度-50℃～150℃范围内,多加4%In2O3的样品一直具有最小的介电损耗;在温度为125℃时,其介电损耗仍能小于5%,说明该组分样品的介电性能也具有良好的温度稳定性。2.研究了 B位(W,Nb)复合掺杂对CaBi4Ti4O15(CBT)陶瓷性能的影响。复合掺杂的化学结构式为:CaBi4T14-x(W,Nb)x/2Oi5(x=0.00,0.02,0.04,0.06,0.08),B位(W,Nb)复合掺杂大大提高了 CBT的压电常数d33、电阻率及介电特性。当x=0.04时,压电常数d33为20pC/N,远远高于纯CBT的压电常数。500℃时,样品x=0.04的电阻率仍然高达106Ω·cm,具有很好的高温稳定性。室温下,x=0.04的厚度振动机电耦合系数kt数值为21.1%,远大于平面振动机电耦合系数kp(5.9%),其介电损耗仅为0.18%,机械品质因数Qm为6390,以上数据表明(W,Nb)掺杂CBT高温铋层结构陶瓷的各项性能得到明显提高。3.研究了 AB位同时掺杂对CaBi4Ti4O15陶瓷各项性能的影响,化学结构式为:Ca0.8(Li,Ce)0.1Bi4Ti4-x(W,Nb)x/2O15(x=0.02,x=0.04,x=0.06,x=0.08)。AB 位同时掺杂使材料压电和介电性能得到了一定程度的提高。样品x=0.04的压电常数d33由7pC/N提高到16pC/N,介电损耗tanδ仅为0.26%,厚度振动机电耦合系数kt为17.9%,平面振动耦合系数kp为4.8%。通过AB复合掺杂,获得了比纯CBT陶瓷性能优异的改性Ca0.8(Li,Ce)0.1Bi4Ti3.96(W,Nb)0.02Oi5高温铋层陶瓷。
【学位授予单位】：山东大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TB34

【参考文献】

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1 茹扎·阿巴合;高温铋层钛酸铋钠压电陶瓷的复合改性研究[D];山东大学;2016年

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本文编号：1280159