添加BaNb2O6对BaTiO3/K0.5Bi0.5TiO3基陶瓷电性能的影响

摘要

随着科学技术的发展以及人们生活水平的提高，各种便携式电子设备越来越受到人们的欢迎。因此，电子器件的微型化、集成化和智能化将成为未来电子行业的发展趋势。日常生活中普遍使用的高介高稳电容器陶瓷材料、高居里点PTC陶瓷以及压电器件大多含有铅，由于铅的挥发性和毒性会对人体健康和环境和谐造成破坏，因此，急需开发一类具有优异电性能的无铅材料来取代含铅材料。本文制备了BaNb2O6添加的BaTiO3/K0.5Bi0.5TiO3陶瓷，并研究了这类材料的组成、制备与电性能的关系，旨在寻求一种新型无铅功能陶瓷材料的配方组成及制备工艺。
　　首先，采用传统固相法制备了BaNb2O6添加的BaTiO3陶瓷，研究了BaNb2O6添加量对BaTiO3陶瓷烧结温度、物相组成、表面形貌及介电性能的影响。实验结果表明:当BaNb2O6添加含量在1mol％附近时，陶瓷的结构从铁电四方相结构逐渐变为赝立方相结构，然而，当添加含量大于1mol％时出现了微量的第二相，说明BaNb2O6在BaTiO3晶格中的固溶度低于1mol％。由于BaNb2O6从BaTiO3晶粒外层逐渐向晶粒内部扩散，使陶瓷的核与壳结构变得不均匀，导致了介温峰发生变化，从而提高了介温稳定性。当添加剂含量为0.8mol％和1mol％时，陶瓷样品室温下呈现出高的介电常数和低的介电损耗，并在-55℃～125℃之间具有稳定的容温变化率，这类材料可用于制备较大电容的X7R陶瓷电容器。
　　其次，采用传统固相法制备了BaNb2O6添加的K0.5Bi0.5TiO3基陶瓷，研究了BaNb2O6添加对K0.5Bi0.5TiO3陶瓷的晶格参数、微观结构、介电和压电性能的影响。结果表明:当掺杂含量在1％～2mol％的范围内陶瓷体系具有准同型相界，当掺杂含量高达3％时有少量的第二相的出现，这就意味着BaNb2O6在K0.5Bi0.5TiO3陶瓷晶格中的固溶度已经达到了极限。随着掺杂含量的增加，Tm温度处的介电常数峰变宽，同时Tc、Tm以及Tcw的数值逐渐减小。所有陶瓷样品都出现很明显的弥散相变特性，掺杂含量为1％时，弥散因子γ逐渐增大至1.938，这表明了样品具有典型的铁电弛豫行为。所有陶瓷样品具有细瘦的电滞回线，尤其是掺杂含量为3％时的电滞回线，而且所有的陶瓷样品都具有较小的剩余极化强度;当添加量为1mol％时陶瓷相处于准同型相界，此时四方相与正交相共存，两种铁电相的共存可以提供更多的自发极化方向，将导致更高的介电和压电活性，因此使极化后的陶瓷样品呈现出优异的压电性能:压电系数d33为96pC/N，机电耦合系数kp为17.8％，机械品质因子Qm为150。
　　最后，分别通过传统烧结和微波烧结技术制备了半导化的BaTiO3/K0.5Bi0.5TiO3系统陶瓷，并且研究了不同烧结方式对陶瓷相组成、微观结构、半导化行为以及PTC性能的影响;同时也研究了不同含量BaNb2O6添加对0.9BaTiO3-0.1K0.5Bi0.5TiO3陶瓷介温稳定性的影响。研究结果表明:微波烧结的烧结周期只有2.5h，并且能在较低的温度下获得更高的致密度，同时微波烧结陶瓷样品具有较小且均匀的晶粒分布;随着掺杂含量的增大，两种烧结方式下的陶瓷样品的居里温度Tc都向高温方向移动，室温电阻率呈现先减小后增大的趋势。当它们有相同的掺杂量时，微波烧结陶瓷样品的室温电阻率总是比传统烧结样品的室温电阻率小，这是因为，微波烧结加热方式在一定程度上可以抑制钡空位的产生;然而微波烧结样品的电阻突跳却没有传统烧结样品的高，这是因为微波烧结的快速降温速率将会减少晶界层的吸附氧浓度。总体而言，微波烧结样品在掺杂量为0.6mol％时可获得综合性能最佳的PTC性能:室温电阻率为82Ω·cm，升阻比大于2.53，居里温度为133.1℃。当BaYb2O6添加量从1mol％增加至4mol％时，所制备陶瓷样品的容温变化率均符合EIAX8R(-55℃～+150℃，△C/C25℃≤±15％)温度特性。

目录

摘要

1 绪论

1．1 前言

1．2 钛酸钡的晶体结构特征

1．3 ABO3型钙钛矿结构的电学性能

1．3．1 钛酸钡陶瓷的介电特性

1．3．2 钛酸钡陶瓷的PTC特性

1．3．3 钛酸铋钾陶瓷的压电特性

1．4 ABO3型钙钛矿材料结构与电性能的关系

1．5 本课题的提出与研究内容

2 实验方案设计与工艺路线

2．1 实验原料

2．2 实验设备

2．3 实验方案设计

2．4 实验工艺路线

2．4．1 粉体的合成

2．4．2 陶瓷的制备

2．5 表征与性能测试

2．5．1 晶相结构表征

2．5．2 体积密度测试

2．5．3 微观形貌表征

2．5．4 电性能测试

2．5．5 电滞回线测试

3 BaNb2O6添加的BaTiO3陶瓷微观结构和介电性能研究

3．1 实验过程

3．1．1 BaTiO3粉体和BaNb2O6粉体的合成

3．1．2 BaNb2O6添加的BaTiO3陶瓷的制备

3．2 实验结果与讨论

3．2．1 BaNb2O6添加的BaTiO3陶瓷的密度分析和物相表征

3．2．2 BaNb2O6添加的BaTiO3陶瓷的显微结构测试

3．2．3 BaNb2O6添加的BaTiO3陶瓷的介电性能分析

3．3 本章小结

4 BaNb2O6添加的K0．5Bi0．5TiO3陶瓷的介电和压电性能研究

4．1 实验过程

4．1．1 K0．5Bi0．5TiO3粉体的合成

4．1．2 BaNb2O6添加的K0．5Bi0．5TiO3陶瓷的制备

4．2 实验结果与讨论

4．2．1 BaNb2O6添加的K0．5Bi0．5TiO3陶瓷的晶相表征与致密度分析

4．2．2 BaNb2O6添加的K0．5Bi0．5TiO3陶瓷的显微结构观察

4．2．3 BaNb2O6添加的K0．5Bi0．5TiO3陶瓷的介电性能分析

4．2．4 BaNb2O6添加的K0．5Bi0．5TiO3陶瓷的压电性能分析

4．3 本章小结

5 BaTiO3-K0．5Bi0．5TiO3陶瓷的微观结构和电性能研究

5．1 实验过程

5．1．1 BaTiO3粉体和K0．5Bi0．5TiO3粉体的合成

5．1．2 BaTiO3-K0．5Bi0．5TiO3陶瓷的制备

5．1．3 BaNb2O6添加的0．9BaTiO3-0．1K0．5Bi0．5TiO3陶瓷的制备

5．2 实验结果与讨论

5．2．1 BaTiO3-K0．5Bi0．5TiO3陶瓷的致密度分析

5．2．2 BaTiO3-K0．5Bi0．5TiO3陶瓷的晶相结构表征

5．2．3 BaTiO3-K0．5Bi0．5TiO3陶瓷的微观形貌观察

5．2．4 BaTiO3-K0．5Bi0．5TiO3陶瓷的室温电阻率和PTC性能分析

5．2．5 BaNb2O6添加的0．9BaTiO3-0．1K0．5Bi0．5TiO3陶瓷的介电性能分析

5．3 本章小结

6 结论

致谢

参考文献

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