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钛酸铋钠基陶瓷的组分调控与介电性能温度稳定性研究

发布时间:2021-09-03 20:21
  近些年来,随着陶瓷电容器在新能源汽车、大功率电力电子、地下资源勘探及航空航天产业等领域的应用,要求其使用温度范围更高(≥300℃),传统的陶瓷电容器已经不能满足其使用要求。Bi0.5Na0.5TiO3(BNT)基弛豫铁电体的居里温度较高(~540℃),其在介电温谱中表现出双介电峰结构,通过调节其组分,希望在相对较宽的温度范围内获得良好的介电性能温度稳定性。此外,其还具有较高的极化强度(~40 μC/cm2),通过组分调控可以获得类似于反铁电的双电滞回线。因此,不管作为温度稳定型电容器还是储能电容器,BNT基材料都是很有潜力的材料。本论文以BNT陶瓷为基体,通过组分调控,获得在较宽的温度区间内介电常数具有良好的温度稳定性、介电损耗保持较低的电介质材料,并探究组分对介电性能温度稳定性影响的原因。论文的主要内容包括以下几个方面:(1)采用固相反应法制备了 Bi0.5Na0.5TiO3-100xBiAlO3陶瓷,研究了材料的相结构和电学性能。介电温谱显示随着BiAlO3含量的增加,损耗越来越低,产生的缺陷偶极子(AlTi’-Vo"-AlTi’)抑制了氧空位,从而降低了介电损耗。在1 kHz和3... 

【文章来源】:西安理工大学陕西省

【文章页数】:61 页

【学位级别】:硕士

【部分图文】:

钛酸铋钠基陶瓷的组分调控与介电性能温度稳定性研究


多层陶瓷电容器结构、等效电路与实物照片

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西安理工大学工程硕士专业学位论文61.2.1BNT基陶瓷的结构特点BNT陶瓷属于典型的无铅电介质陶瓷,该陶瓷的结构为钙钛矿结构,其示意图如图1-2所示。由顶点处的六个氧离子相互连接,从而构成的三维氧八面体结构。其中Bi+和Na+各占一半,并共同处于A离子所处的位置,其分别占据在立方体的顶点处。Ti2+离子处于B离子原有的位置,其位于氧离子构成的八面体中心位置。图1-2钛酸铋钠晶胞结构示意图Figure1-2SchematicdiagramoftheunitcellofsodiumbismuthtitanateBi0.5Na0.5TiO3无铅压电陶瓷其本身具有较强的铁电性,1962年Buhrer[20]等人对该现象的产生原因进行了解释,这是由于BNT中的Bi3+具有特定的电子层结构所造成的。研究表明,由于Bi3+离子在某种程度上类似于Pb2+离子的电子结构并且也具有高极化率。因此采用Bi3+离子来代替Pb2+离子从而制备出BNT陶瓷。且Bi3+容易与O2-结合生成非对称的共价键,从而增大了电子极化率且稳定BNT陶瓷的铁电性能。由于BNT在室温下具有很强的铁电性,所以被众多学者认为是一种很有前途的无铅压电陶瓷材料之一,查阅文献,由相关的研究表明,在BNT的相变过程中存在三方-四方相共存[20,21]。在整个的相变过程中出现了反铁电相,发现双电滞回线的存在出现在弥散相变温区内,这就合理的解释了低温下BNT的介电反常现象[22,23]。也有学者认为BNT中不存在反铁电相,其依据是在中子衍射的过程中,未发现超晶格结构[24,25],因此可以证明不存在反铁电相。1.2.2BNT基材料的温度相变研究钛酸铋钠基材料是相变过程及其伴随的现象比较复杂,图1-3为钛酸铋钠基材料的相变示意图[26]:1980年,J.A.Zvirgzds等[27]人通过使用X射线衍射的方法研究了BNT单晶结构的相变过程,结果表明,在293-920K的温度范围内发现了两个结构相变,在

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1前言7度附近的伪钙钛矿细胞的对称性发生变化导致BNT陶瓷中四方相和三方相的比例各占1/2。当温度下降至280℃时,BNT中四方相的体积分数下降至20%。当温度为260℃以下时,样品完全呈现为纯三方相结构。图1-3钛酸铋钠的相变过程Figure1-3Phasetransitionofsodiumbismuthtitanate2005年,V.A.Isupov[30]等人通过对BNT单晶的介电温谱等其他性能进行测试并进行了总结,结果显示当200℃时,钛酸铋钠中会出现铁电到反铁电的相变,在320℃时,陶瓷基体中出现了反铁电-铁弹相变,当温度达到540℃时,其基体相出现铁弹相变向顺电相变转变的现象。且通过对其介电温谱进行测试后发现,当温度在200-320℃时,BNT单晶的介电常数出现反常现象赵明磊[31]等人分析研究了BNT,BNT-BaTiO3和BNT-SrTiO3等陶瓷的介电性能。从温谱结果中观测到存在两个介电异常峰和一个损耗异常峰,电滞回线也并不是双电滞回线。由此可以判定出BNT系材料中没有高温反铁电相的存在,其高、低温介电反常是由极性纳米微区的存在而引起的。1.2.3BNT基陶瓷电容器的研究现状BNT陶瓷的优点在于:它除了具有大的剩余极化强度Pr,还有高的居里温度,高的压电性能,以及较高的介电常数等,但它还存在一些缺点:BNT在室温下有极大的矫顽场(Ec=73kv/cm),导致其很难被极化;最重要的是在烧结过程中,需要较高的烧结温度(﹥1200℃),才能得到较高的致密度,而且在烧结中Bi3+和Na+极其容易挥发,产生大的漏电流造成陶瓷极化困难。针对其存在的问题,主要通过以下两种途径进行改善:(1)在材料中引入施主/受主缺陷,通过优化施主/受主掺杂缺陷的浓度,其可以与陶瓷中电子、空穴等导电载流子结合形成缺陷偶极子,降低电导率,最终使材料在高温的介电损耗减校(2)通过掺杂第二或多元的优化相来

【参考文献】:
期刊论文
[1]钛酸铋钠系陶瓷的介电热滞现象[J]. 赵明磊,王春雷,钟维烈,张沛霖.  压电与声光. 2001(03)

硕士论文
[1]高温稳定型MLCC新介质材料的研究[D]. 赵春杰.电子科技大学 2011
[2]中温烧结热稳定X9R钛酸钡陶瓷的研究[D]. 王小勇.天津大学 2007



本文编号:3381798

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