BaTiO 3 -BiScO 3 基介电陶瓷结构与电性能研究
发布时间：2021-10-20 13:51
钛酸钡（BaTiO3）是一种典型的多用途材料,因其优异的压电、铁电、光电以及高介电常数的特性而被广泛应用于多个领域,是一种非常有价值的铁电材料。为了拓宽BaTiO3在储能和高温电容器领域的广泛应用,BaTiO3基弛豫铁电体（Relaxor ferroelectrics,RFE）成为电介质材料的新研究亮点。然而,在此类研究中对各类固溶体的特性发掘并未完全,其中BaTiO3-BiScO3（BT-BS）材料具有稳定的温度特性、较高的储能效率,为了能够进一步探索BT-BS体系材料的结构和固溶体的电性能,本论文以BT-BS固溶体为基础,对其进一步固溶改性,通过固相反应法合成多元BT-BS基介电陶瓷,并对陶瓷的结构、介电、阻抗和铁电性能进行了系统的研究,主要工作如下:首先,为了探讨B位共取代的离子复合效应对BT-BS材料的结构和电性能影响,设计并合成了一种BaTiO3-Bi（Al0.5Sc0.5）O3陶瓷。通过固相反应法制备了无铅单相钙钛矿BaTiO3-Bi（Al0.5Sc0.5）O3陶瓷,研究了掺杂不同含量BAS对陶瓷的结构、介电性能、铁电性能及储能特性的影响。结果表明:BAS的引入破坏了 BT...
【文章来源】：西安科技大学陕西省
【文章页数】：69 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
电介质在外加电场下极化示意图
1绪论3图1.2电介质在外加电场下的非线性P-E响应示意图Fig.1.2SchematicdiagramofthenonlinearP-Eloopofelectricfield.1.1.2电介质极化机理电介质是指在电场作用下能够建立极化的一切物质的统称。具体的表现为电介质材料在外加电场的作用下其诱导永久偶极矩发生取向从而产生的极化现象。极化主要包括以下四种机制[3]，如图1.3所示：（1）电子极化：在外加电场的作用下，原子内部电子云发生了偏移，因此产生偶极矩，发生频率一般在1014~1016Hz；（2）离子极化：离子位移极化是指电介质中带正电和带负电的离子之间发生相对弹性位移产生了诱导偶极矩从而形成的极化，因此没有外加电场也具有永久偶极矩，发生频率一般在为109~1013Hz；（3）偶极子转向极化：在没有外加电场下，极性电介质由于热运动产生的极化，其偶极矩是随机取向的。而在外加电场的作用下，原子或离子中存在的不平衡电荷分布会沿平行于电场的方向发生取向。所以这时对电介质整体而言偶极矩不等于零，而且出现了宏观偶极矩，发生的频率一般为103~108Hz；（4）空间电荷极化：又称为界面极化。界面极化的产生是由于在界面处的组分不均匀，两边具有不同的极性或电导率，因此在外电场作用下引起电荷在两相界面处发生聚集，从而产生了极化，一般发生的频率为10-3~102Hz。通常情况下，材料的介电性能会受材料的极化程度影响，故而材料的介电常数、介电损耗等会表现出随材料的极化程度改变而变化。1.2电介质陶瓷目前用于介电储能电容器的介质材料主要包括聚合物、陶瓷聚合物复合材料、玻璃、玻璃陶瓷和陶瓷五大类[4-8]。陶瓷作为电介质电容器材料，具有悠久的历史和广泛的应用。随着5G商用的推进，高Q损耗特性陶瓷市场空间打开，受陶瓷天线、LTCC、陶瓷滤波器等下游行业的
西安科技大学硕士学位论文42014~2018年，我国电子陶瓷行业市场规模由346.6亿元增长至576.9亿元，预计2023年中国电子陶瓷行业市场规模达到1145.4亿元。并且相对于其他储能介质材料，介电陶瓷具有中等击穿场强(Eb)、较低的介电损耗，优良的温度稳定性和抗疲劳特性，能够更好地满足航空航天、石油钻井、电磁脉冲武器等重要领域对储能电容器的特殊需求[9,10]。根据电介质陶瓷材料厚度的不同，通常被分为薄膜（厚度<1μm）、厚膜（厚度介于1μm~100μm之间）和块体（厚度>100μm）三类。薄膜材料由于厚度的限制，绝对储存能量较低，制备过程复杂，难以制备大尺寸的样品，并且制备环境条件要求高等缺点，使其应用限制在某些特定领域，如医疗上用的电击器[4]。块体材料的优点是制备过程简单、制备成本低廉、机械强度高、热稳定性好并且储存总能量高。另外，若陶瓷介质的块体形式具有良好的储能特性，那么以相同材料体系制备的薄膜或厚膜将具有更大WD[11,12]。可以说，块体材料储能特性的研究可以为薄膜和厚膜材料的研究提供前期探索。图1.3四种分子极化机理示意图Figure1.3Schematicrepresentationoffourpolarizationmechanisms.1.3铁电材料的基本概述1.3.1铁电体现如今信息时代的高速发展得益于两大功能材料的发展：一类是以Si、Ge、GaAs为代表的半导体材料，它是微电子技术和光电子技术的基础；另一类是具有耦合、存储的功能材料，铁电材料便隶属于其中。
【参考文献】：
期刊论文
[1]烧结温度对锆钛酸钡钙陶瓷微结构及储能特性的影响[J]. 张钱伟,蔡苇,何海峰,王凤起,李清婷. 电子元件与材料. 2019(02)
[2]High electrocaloric cooling power of relaxor ferroelectric BaZrxTi1–xO3 ceramics within broad temperature range[J]. Jianfeng Qian,Penghao Hu,Chen Liu,Jianyong Jiang,Zhenkang Dan,Jing Ma,Yuanhua Lin,Ce-Wen Nan,Yang Shen. Science Bulletin. 2018(06)
[3](0.94-x)Bi0.5Na0.5TiO3-x(K0.9Na0.1)NbO3-0.06BaTiO3无铅陶瓷的结构与电储能特性研究[J]. 洪璐,沈宗洋,李月明,王竹梅,洪燕,骆雯琴. 中国陶瓷. 2016(08)
[4]多铁性材料BiFeO3的高温铁电相转变研究进展[J]. 魏杰,徐卓. 中国科技论文. 2015(10)
[5]BiAlO3基高温无铅压电陶瓷的研究进展[J]. 侯育冬,崔磊,王赛,王超,朱满康,严辉. 无机材料学报. 2010(03)
[6]钛酸钡陶瓷中居里点移动规律与机理研究进展[J]. 唐斌,张树人,袁颖,周晓华. 真空科学与技术学报. 2008(02)
[7]尺寸效应对细晶粒BaTiO3陶瓷电滞现象的影响[J]. 康爱国,邓湘云,王晓慧,李龙土. 功能材料. 2005(11)
[8]四方相BaTiO3铁电性的第一性原理研究[J]. 薛卫东,陈召勇,杨春,李言荣. 物理学报. 2005(02)
[9]弛豫型铁电体[J]. 姚喜,陈至立. 压电与声光. 1984(06)
博士论文
[1]应变与晶格畸变耦合对钙钛矿材料铁电性能的调控[D]. 张亚君.浙江大学 2018
[2]铁电/弛豫铁电储能陶瓷的制备、性能及机理研究[D]. 吴隆文.清华大学 2017
[3]钛酸钡钙基无铅铁电陶瓷的压电性和多铁性研究[D]. 李彩霞.哈尔滨工业大学 2014
[4]钛酸钡基无铅压电复合陶瓷性能的研究[D]. 邹亚囡.天津大学 2012
[5]钛酸锶钡结构及其极化特性的第一性原理计算与实验研究[D]. 何建平.华中科技大学 2012
[6]钛酸钡基陶瓷的制备、微结构及介电性能研究[D]. 蔡苇.重庆大学 2011
硕士论文
[1]BiMO3（M=Y,Fe,Al）掺杂BaTiO3陶瓷弛豫行为的研究[D]. 王亚茹.陕西科技大学 2017
[2]钛酸钡基铁电陶瓷的介电特性和高温介电弛豫研究[D]. 陈锋.广东工业大学 2016
[3]钛酸钡结构以及极化特性的第一性原理研究[D]. 刘鹏玮.海南大学 2015
[4]CaBi4Ti4O15材料的复合掺杂及性能研究[D]. 王斌.华南理工大学 2014
本文编号：3447017
【文章来源】：西安科技大学陕西省
【文章页数】：69 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
电介质在外加电场下极化示意图
1绪论3图1.2电介质在外加电场下的非线性P-E响应示意图Fig.1.2SchematicdiagramofthenonlinearP-Eloopofelectricfield.1.1.2电介质极化机理电介质是指在电场作用下能够建立极化的一切物质的统称。具体的表现为电介质材料在外加电场的作用下其诱导永久偶极矩发生取向从而产生的极化现象。极化主要包括以下四种机制[3]，如图1.3所示：（1）电子极化：在外加电场的作用下，原子内部电子云发生了偏移，因此产生偶极矩，发生频率一般在1014~1016Hz；（2）离子极化：离子位移极化是指电介质中带正电和带负电的离子之间发生相对弹性位移产生了诱导偶极矩从而形成的极化，因此没有外加电场也具有永久偶极矩，发生频率一般在为109~1013Hz；（3）偶极子转向极化：在没有外加电场下，极性电介质由于热运动产生的极化，其偶极矩是随机取向的。而在外加电场的作用下，原子或离子中存在的不平衡电荷分布会沿平行于电场的方向发生取向。所以这时对电介质整体而言偶极矩不等于零，而且出现了宏观偶极矩，发生的频率一般为103~108Hz；（4）空间电荷极化：又称为界面极化。界面极化的产生是由于在界面处的组分不均匀，两边具有不同的极性或电导率，因此在外电场作用下引起电荷在两相界面处发生聚集，从而产生了极化，一般发生的频率为10-3~102Hz。通常情况下，材料的介电性能会受材料的极化程度影响，故而材料的介电常数、介电损耗等会表现出随材料的极化程度改变而变化。1.2电介质陶瓷目前用于介电储能电容器的介质材料主要包括聚合物、陶瓷聚合物复合材料、玻璃、玻璃陶瓷和陶瓷五大类[4-8]。陶瓷作为电介质电容器材料，具有悠久的历史和广泛的应用。随着5G商用的推进，高Q损耗特性陶瓷市场空间打开，受陶瓷天线、LTCC、陶瓷滤波器等下游行业的
西安科技大学硕士学位论文42014~2018年，我国电子陶瓷行业市场规模由346.6亿元增长至576.9亿元，预计2023年中国电子陶瓷行业市场规模达到1145.4亿元。并且相对于其他储能介质材料，介电陶瓷具有中等击穿场强(Eb)、较低的介电损耗，优良的温度稳定性和抗疲劳特性，能够更好地满足航空航天、石油钻井、电磁脉冲武器等重要领域对储能电容器的特殊需求[9,10]。根据电介质陶瓷材料厚度的不同，通常被分为薄膜（厚度<1μm）、厚膜（厚度介于1μm~100μm之间）和块体（厚度>100μm）三类。薄膜材料由于厚度的限制，绝对储存能量较低，制备过程复杂，难以制备大尺寸的样品，并且制备环境条件要求高等缺点，使其应用限制在某些特定领域，如医疗上用的电击器[4]。块体材料的优点是制备过程简单、制备成本低廉、机械强度高、热稳定性好并且储存总能量高。另外，若陶瓷介质的块体形式具有良好的储能特性，那么以相同材料体系制备的薄膜或厚膜将具有更大WD[11,12]。可以说，块体材料储能特性的研究可以为薄膜和厚膜材料的研究提供前期探索。图1.3四种分子极化机理示意图Figure1.3Schematicrepresentationoffourpolarizationmechanisms.1.3铁电材料的基本概述1.3.1铁电体现如今信息时代的高速发展得益于两大功能材料的发展：一类是以Si、Ge、GaAs为代表的半导体材料，它是微电子技术和光电子技术的基础；另一类是具有耦合、存储的功能材料，铁电材料便隶属于其中。
【参考文献】：
期刊论文
[1]烧结温度对锆钛酸钡钙陶瓷微结构及储能特性的影响[J]. 张钱伟,蔡苇,何海峰,王凤起,李清婷. 电子元件与材料. 2019(02)
[2]High electrocaloric cooling power of relaxor ferroelectric BaZrxTi1–xO3 ceramics within broad temperature range[J]. Jianfeng Qian,Penghao Hu,Chen Liu,Jianyong Jiang,Zhenkang Dan,Jing Ma,Yuanhua Lin,Ce-Wen Nan,Yang Shen. Science Bulletin. 2018(06)
[3](0.94-x)Bi0.5Na0.5TiO3-x(K0.9Na0.1)NbO3-0.06BaTiO3无铅陶瓷的结构与电储能特性研究[J]. 洪璐,沈宗洋,李月明,王竹梅,洪燕,骆雯琴. 中国陶瓷. 2016(08)
[4]多铁性材料BiFeO3的高温铁电相转变研究进展[J]. 魏杰,徐卓. 中国科技论文. 2015(10)
[5]BiAlO3基高温无铅压电陶瓷的研究进展[J]. 侯育冬,崔磊,王赛,王超,朱满康,严辉. 无机材料学报. 2010(03)
[6]钛酸钡陶瓷中居里点移动规律与机理研究进展[J]. 唐斌,张树人,袁颖,周晓华. 真空科学与技术学报. 2008(02)
[7]尺寸效应对细晶粒BaTiO3陶瓷电滞现象的影响[J]. 康爱国,邓湘云,王晓慧,李龙土. 功能材料. 2005(11)
[8]四方相BaTiO3铁电性的第一性原理研究[J]. 薛卫东,陈召勇,杨春,李言荣. 物理学报. 2005(02)
[9]弛豫型铁电体[J]. 姚喜,陈至立. 压电与声光. 1984(06)
博士论文
[1]应变与晶格畸变耦合对钙钛矿材料铁电性能的调控[D]. 张亚君.浙江大学 2018
[2]铁电/弛豫铁电储能陶瓷的制备、性能及机理研究[D]. 吴隆文.清华大学 2017
[3]钛酸钡钙基无铅铁电陶瓷的压电性和多铁性研究[D]. 李彩霞.哈尔滨工业大学 2014
[4]钛酸钡基无铅压电复合陶瓷性能的研究[D]. 邹亚囡.天津大学 2012
[5]钛酸锶钡结构及其极化特性的第一性原理计算与实验研究[D]. 何建平.华中科技大学 2012
[6]钛酸钡基陶瓷的制备、微结构及介电性能研究[D]. 蔡苇.重庆大学 2011
硕士论文
[1]BiMO3（M=Y,Fe,Al）掺杂BaTiO3陶瓷弛豫行为的研究[D]. 王亚茹.陕西科技大学 2017
[2]钛酸钡基铁电陶瓷的介电特性和高温介电弛豫研究[D]. 陈锋.广东工业大学 2016
[3]钛酸钡结构以及极化特性的第一性原理研究[D]. 刘鹏玮.海南大学 2015
[4]CaBi4Ti4O15材料的复合掺杂及性能研究[D]. 王斌.华南理工大学 2014
本文编号：3447017
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