制备工艺对(Ba0.85Ca0.15)(Ti0.9Zr0.1)O3无铅压电陶瓷结构与性能的影响

采用液相混合与固相烧结相结合的方法制备了(Ba_0.85Ca_0.15)(Ti_0.9Zr_0.1)O₃ (BCTZ) 无铅压电陶瓷, 系统研究了烧结保温时间对其相结构、介电、压电和铁电性能的影响以及电学性能随温度的变化。研究结果表明: 制备的陶瓷样品具有单一的四方钙钛矿结构。当烧结温度为1540℃时, 随着保温时间的延长, 样品晶粒尺寸变大, 居里温度(T_c)升高, 压电性能提高, 电致伸缩性能下降。当保温时间为24 h时, BCTZ陶瓷综合性能最为优异: T_c ~90℃, tanδ < 0.05, k_p ~ 0.46, d₃₃ ~ 540 pC/N, P_s ~17 μC/cm²。陶瓷电学性能随温度变化测试结果又表明, BCTZ陶瓷的电学性能具有很强的温度依赖性, 随着温度的升高其电学性能逐渐下降。     

(1-x)K0.48Na0.52NbO3-xBi0.45Nd0.05(Na0.92Li0.08)0.5ZrO3无铅压电陶瓷相结构及压电性能

为了在获得较高压电性能的同时又不大大降低陶瓷的居里温度(T_C), 设计和制备了Bi_0.45Nd_0.05(Na_0.92Li_0.08)_0.5ZrO₃改性的K_0.48Na_0.52NbO₃系无铅压电陶瓷((1-x)KNN-xBNNLZ), 研究了BNNLZ含量对KNN基无铅压电陶瓷相结构和电学性能的影响。研究结果表明, 所有陶瓷样品均具有较高的居里温度T_C(>300℃)。随着BNNLZ含量的增加, 陶瓷的正交-四方相变温度(T_O-T)不断向低温方向移动, 而三方-正交相变温度(T_R-O)不断向高温方向移动, 最终在陶瓷中形成了三方-四方(R-T)共存相, R-T共存相处于0.05<x<0.07范围。BNNLZ的加入引起陶瓷相结构的演化改变导致压电常数(d₃₃ )、介电常数(ε_r )、剩余极化强度 (P_r )和机电耦合系数(k_p )都先增大后减小, 当x=0.06时陶瓷具有最佳压电性能: d₃₃=313 pC/N, k_p=42%, P_r=25.48 μC/cm², ε_r=1353, tanδ=2.5%, T_C=327℃。     

高Q值(1-x)(Sr0.2Nd0.208Ca0.488)TiO3-xNd(Ti0.5Mg0.5)O3微波陶瓷的微结构及介电性能研究

采用固相法制备了(1-x)(Sr_0.2Nd_0.208Ca_0.488)TiO₃-xNd(Ti_0.5Mg_0.5)O₃(0.3≤x≤0.4, SNCT-NTMx)系微波介质陶瓷材料, 并研究了该体系的相组成、显微结构、烧结性能和微波介电性能之间的关系。结果表明: 在x = 0.3~0.35范围内, SNCT-NTMx陶瓷形成了正交钙钛矿固溶体, 并伴随有少量未知第二相; 当x增至0.4时, 第二相含量有所增加。介电性能研究结果显示: 随着x的增加, 体系介电常数(ε_r)减小, 但品质因子(Q×f)得到改善; 此外, 体系谐振频率温度系数(τ_f)随NTM含量的增加逐渐向负值方向移动。当x = 0.35, 陶瓷样品在1520℃烧结4 h 得到的微波介电性能较优: ε_r=50.1, Q×f =44910 GHz, τ_f= -1.7×10^-6/℃。     

晶粒尺寸对细晶钛酸钡陶瓷介电、压电和铁电性能的影响

以采用水热法制备的BaTiO₃粉体作为原料, 利用普通烧结法和两步烧结法制备出晶粒尺寸为0.25~10.15 μm的BaTiO₃陶瓷, 研究了晶粒尺寸效应对BaTiO₃陶瓷的介电、压电以及铁电性能的影响。结果表明: BaTiO₃陶瓷的四方相含量随着陶瓷晶粒尺寸的增大而增加; 当晶粒尺寸在1 μm以上时, 室温相对介电常数(ε° )和压电系数(d₃₃)随着晶粒尺寸的减小而增大, 并在晶粒尺寸为1.12 μm时分别达到最大值5628和279 pC/N, 然后两者随着晶粒尺寸的进一步减小而迅速下降。BaTiO₃陶瓷的剩余极化强度P_r随晶粒尺寸的增大而提高, 而矫顽场E_c却呈现出相反的趋势。晶粒尺寸对介电性能和压电性能的影响是由于90°电畴尺寸和晶界数量的变化。晶粒的晶体场和晶粒表面钉扎作用的变化影响了电畴, 进而改变电滞回线。     

固相法制备钇掺杂的钛酸钡锶钙陶瓷的介电和热释电性能

采用固相反应法制备了Y掺杂 (Ba_0.6Sr_0.3Ca_0.1)_1-xY_xTi_0.999Mn_0.001O₃ (0≤x≤0.007)陶瓷, 重点研究了Y含量对BSCT基陶瓷的显微结构、介电性能和热释电性能的影响。结果表明: 随着Y含量的增加, BSCY_xTM陶瓷的平均晶粒尺寸逐渐减小, 介电常数、介电损耗、居里温度和热释电系数均呈现先增加后减小的趋势。当Y掺杂量为0.7mol%时, BSCY_xTM陶瓷的平均晶粒尺寸最小为3.1 μm, 且探测优值F_d较大, 最大值可达8.22×10^-5 Pa^-1/2(700 V/mm, 30℃), 高于采用溶胶-凝胶法制备的同组分陶瓷的探测优值5.91×10^-5 Pa^-1/2。     

MgO/SrO/La2O3多元添加对(Zr0.8Sn0.2)TiO4微波陶瓷结构性能影响

基于液相促进固相反应烧结机制, 设计MgO/SrO/La₂O₃多元复合添加(Zr_0.8Sn_0.2)TiO₄(ZST)体系, 探究复合添加剂对ZST陶瓷的物相组成、微观结构、烧结特性以及高频介电性能等参数的影响。实验结果表明: 陶瓷的主晶相均为ZST相; 适量添加MgO/SrO/La₂O₃可以有效地降低ZST陶瓷的烧结温度, 获得较优的微波介电性能; 但MgO添加量的增多对材料的综合性能有小幅度的影响; SrO的添加量过大会造成晶粒的不完全生长、瓷体不致密和气孔的增多, 从而导致材料的密度、介电常数和Q×f值的下降; 此外, 添加剂对陶瓷的频率温度系数(τ_f)影响不大。在复合添加0.2wt%MgO、0.6wt%SrO、1.0wt%La₂O₃时, 1300℃保温5 h的ZST陶瓷综合性能优异: ρ=5.14 g/cm³, ε_r=40.11, Q×f=51000 GHz (f=5.61 GHz), τ_f=-2.85×10^-6℃^-1。     

Te与In共掺杂对Cu2SnSe3热电性能的影响

Cu₂SnSe₃基化合物作为一种绿色环保的新型热电材料, 近年受到了研究者的广泛关注。然而, 本征Cu₂SnSe₃基化合物载流子浓度低、电性能较差。为优化Cu₂SnSe₃化合物的电热输运性能, 本研究采用熔融、退火结合放电等离子烧结技术制备了一系列Cu₂SnSe_3-xTe_x (x=0~0.2)和Cu₂Sn_1-yIn_ySe_2.9Te_0.1 (y=0.005~0.03)样品, 研究了Te固溶和In掺杂对材料电热输运性能的影响。Te在Cu₂SnSe_3-xTe_x (x=0~0.2)化合物中的固溶度为0.10, Te固溶显著增加了材料的载流子有效质量, 从本征Cu₂SnSe₃样品的0.2m_e增加到Cu₂SnSe_2.9Te_0.1样品的0.45m_e, 显著提高了材料的功率因子, Cu₂SnSe_2.99Te_0.01样品在300 K下获得最大功率因子为1.37 μW·cm^-1·K^-2。为了进一步提高材料的电传输性能, 本研究以Cu₂SnSe_2.9Te_0.1为基体并选取In在Sn位掺杂。In掺杂将Cu₂SnSe₃基化合物的载流子浓度从5.96×10¹⁸ cm^-3 (Cu₂SnSe_2.9Te_0.1)显著提高到2.06×10²⁰ cm^-3 (Cu₂Sn_0.975In_0.025Se_2.9Te_0.1)。调控载流子浓度促进了材料多价带参与电传输, 材料的电导率和载流子有效质量显著增加, 功率因子得到大幅度提升, 在473 K下Cu₂Sn_0.995In_0.005Se_2.9Te_0.1化合物获得最大功率因子为5.69 μW·cm^-1·K^-2。由于电输运行性能显著提升和晶格热导率降低, Cu₂Sn_0.985In_0.025Se_2.9Te_0.1样品在773 K下获得最大ZT为0.4, 较本征Cu₂SnSe₃样品提高了4倍。     

掺铋钇铁石榴石磁光陶瓷的热压烧结及其性能研究

钇铁石榴石(Y₃Fe₅O₁₂, YIG)材料因其优异的磁性能和磁光性能在微波通信、激光技术和光纤通讯等领域具有重要应用。离子掺杂是提高YIG材料磁光性能的有效途径之一, 本研究选择离子半径适配的Bi³⁺掺杂改性YIG陶瓷以提高材料的磁光性能。本工作采用固相法热压烧结制备Bi_xY_3-xFe₅O₁₂ (x=0、0.3、0.6、0.9)陶瓷, 并研究Bi³⁺掺杂对YIG陶瓷材料相结构、微观形貌、红外透过性、磁性能以及磁光性能的影响。结果表明: 陶瓷样品均呈石榴石立方相结构; 显微结构致密, Bi³⁺掺杂后晶粒尺寸不同程度增大; 样品红外透过率良好, 随Bi³⁺掺杂量增大而降低; 陶瓷样品的法拉第旋转角随Bi³⁺掺杂量增加呈线性变化, Bi³⁺掺杂量每增加1% (原子分数), 在波长1064 nm和1550 nm处变化量分别约为-49.0 (°)/cm和-30.2 (°)/cm。Bi_0.6Y_2.4Fe₅O₁₂陶瓷样品在1064 nm和1550 nm波长下法拉第旋转角分别达到-703.3 (°)/cm和-461.5 (°)/cm, 绝对值远高于未掺杂YIG陶瓷的277.6 (°)/cm和172.0 (°)/cm。由此可见, 掺杂适量Bi³⁺可以显著增强YIG陶瓷材料的磁光性能。     

Bi5Ti3FeO15薄膜的结构和多铁性研究

采用脉冲激光沉积的方法, 在Pt/Ti/SiO₂/Si衬底上生长Bi₅Ti₃FeO₁₅ (BTFO15)多铁性薄膜, 并对其结构、磁性、铁电性、铁电畴等进行了研究。通过X射线衍射、扫描电镜以及高角环形暗场像-扫描透射电镜测试, 结果表明, 薄膜具有高结晶度和完美层状晶格结构, 两层Bi原子层紧密堆积, 两层Bi₂O₂之间有三层Bi层和三层Ti(Fe)O₆八面体层, 构成三明治结构; 在室温下的磁滞回线和电滞回线证实了弱铁磁性和铁电性的共存; 采用压电响应力显微镜研究了薄膜的畴结构, 在面内和面外分别施加±3 V和±10 V的电压, 观测到了畴反转。这些研究结果对理解多铁性材料的微观结构和宏观特性的相互调制有重要意义。     

氧化气氛对CaCu3Ti4O12陶瓷显微结构及介电性能的影响

采用固相法合成了CaCu₃Ti₄O₁₂陶瓷, 研究了氧化气氛热处理对其显微结构和介电性能的影响。结果表明, 氧化气氛热处理后, CaCu₃Ti₄O₁₂陶瓷的介电常数略微下降, 介电损耗角正切值得到有效抑制, 降至0.03~0.04。在183~273 K温度范围内, CaCu₃Ti₄O₁₂陶瓷总的介电损耗可以分解成低频电导损耗和高频的两个弛豫损耗峰, 氧化气氛热处理后低频电导损耗的贡献下降较为明显。对CaCu₃Ti₄O₁₂陶瓷的晶粒、晶界进行阻抗分析, 发现在393 K时晶界电阻值从1.8×10⁴ Ω增大到8.6×10⁴ Ω。伏安特性(J-E)结果表明氧化气氛热处理使CaCu₃Ti₄O₁₂陶瓷的击穿场强和非线性系数分别从226 V/mm、3.52上升到397 V/mm、4.51, 晶界势垒高度从0.56 eV增大到0.63 eV。     

(Ba0.85Ca0.15)(Ti0.9Zr0.1-xSnx)O3无铅压电陶瓷的相结构与压电性能

钙锆共掺钛酸钡陶瓷(BCZT)具有优异的介电性能和压电性能, 是一类具有发展潜力的无铅压电陶瓷, 但其压电性能仍无法与铅基陶瓷媲美。为提高压电性能, 本研究对陶瓷材料进行Sn元素掺杂改性((Ba_0.85Ca_0.15)- (Ti_0.9Zr_0.1-xSn_x)O₃, x=0.02~0.07))。晶体结构分析证实所有组分的陶瓷无杂相, 处于正交相与四方相两相共存状态, 并具有较大的c/a; 显微结构分析发现所有陶瓷都很致密, 且平均晶粒尺寸随着Sn含量的增加而增大。当x=0.04时, 陶瓷最致密, 且室温处于准同型相界附近, 因此拥有最佳的电学性能: d₃₃=590 pC•N ^-1, k_p=52.2%, tanδ=0.016, ε ^T₃₃=5372, d ^*₃₃=734 pm•V ^-1, IR=57.8 GΩ•cm。本研究表明: Sn掺杂的BCZT基无铅压电陶瓷具有优异的压电性能, 有望在换能器、机电传感器和驱动器等方面得到应用。     

Piezoelectric and dielectric properties of PZT–PZN–PMS ceramics prepared by molten salt synthesis method

Piezoelectric powders and ceramics with the composition of Pb_0.95Sr_0.05(Zr_0.52Ti_0.48)O₃–Pb(Zn_1/3Nb_2/3)O₃–Pb(Mn_1/3Sb_2/3)O₃ (PZT–PZN–PMS) were prepared by molten salt synthesis (MSS) and conventional mixed-oxide (CMO) methods, respectively. The influence of synthesis process on the properties of powders and ceramics were investigated in detail. The results show that the MSS method significantly improved the sinterability of PZT–PZN–PMS ceramics, resulting in an improvement of dielectric and piezoelectric properties compared to the CMO method. The optimum values of MSS samples are as follows: _r = 1773; tan δ = 0.0040; T_c = 280 °C; d₃₃ = 455 pC/N; k_p = 0.70; Q_m = 888; E_c = 10.3 kV/cm; and P_r = 28.2 μC/cm², at calcination of 800 °C and sintering of 1120 °C temperature.     

氧化镧掺杂铌酸钾钠陶瓷的电、光性能研究

铌酸钾钠(K_0.5Na_0.5NbO₃, KNN)基陶瓷具有充放电速度快、透明度高、应用温度范围宽、使用寿命长等优点, 在脉冲功率器件等领域具有广阔的应用前景。通过改性技术提高铌酸钾钠基陶瓷的电、光性能是该方向的研究热点。本研究采用固相法制备0.825(K_0.5Na_0.5)NbO₃-0.175Sr_1-3x/2La_x(Sc_0.5Nb_0.5)O₃(x=0, 0.1, 0.2, 0.3)陶瓷(简称0.825KNN- 0.175SLSN), 研究La₂O₃掺杂对其相结构、微观形貌、光学、介电、铁电及储能性能的影响。研究结果表明: 0.825KNN- 0.175SLSN陶瓷具有高对称性的伪立方相结构; 随着La₂O₃掺杂量增大, 陶瓷的平均晶粒尺寸减小, 相变温度(T_m)及饱和极化强度(P_max)增大, 达到峰值后下降。在x=0.3时, 该体系陶瓷表现出优异的透明性, 在可见光波长(780 nm)及近红外波长(1200 nm)范围内透过率分别达65.2%及71.5%, 同时实现了310 kV/cm的击穿场强和1.85 J/cm ³的可释放能量密度。     

Li补偿量对铌酸盐基无铅压电陶瓷结构和性能的影响

采用传统固相烧结工艺, 在1000℃成功制备了致密度较高、微观形貌较好的Li_0.05+x(Na_0.535K_0.48)_0.95NbO₃ (L_xNKN)压电陶瓷. 考察了Li补偿量对L_xNKN陶瓷致密度、微观结构、相结构、居里温度及电学性能的影响. 结果发现: 添加过量Li不仅促进陶瓷的烧结, 而且降低陶瓷的烧结温度. XRD图谱分析和相应的晶格常数计算表明, 在x=0.010~0.015范围内出现了四方-正交两相共存的多形态相界(PPT). 由于PPT的出现, 在最佳补偿量x=0.015处, 陶瓷的压电常数d₃₃、机电耦合系数k_p、介电常数ε_r和剩余极化强度P_r分别达到各自的最大值282 pC/N、44%、942和27 μC/cm². 与化学计量比的LNKN陶瓷相比, L_xNKN陶瓷的居里温度随Li补偿量的增加变化很小, 这可能是由于Li主要是起助烧作用而进入主相晶格很少的缘故. 研究工作为低温制备高性能铌酸盐系压电陶瓷提供了一种新的思路.     

BiAlO3掺杂PZT陶瓷的高压电性能和低电场应变滞后

铅基压电陶瓷因其优异的压电性能, 被广泛应用于压电器件。其中, 压电驱动器要求压电陶瓷具有较高压电性能并且在电场下具有较高的电致应变和较小的应变滞后。本研究通过施主-受主共掺, 得到高压电性能和低电场应变滞后的PZT陶瓷。采用传统固相反应法制备了(1-x)(Pb_0.95Sr_0.05)(Zr₅₃Ti₄₇)O₃-xBiAlO₃+0.2%MnO₂陶瓷(掺杂量为质量百分数), 并对其微观结构和压电性能进行了研究。结果表明：BiAlO₃掺杂量较少时, 陶瓷中缺陷偶极子的“钉扎”效应使得陶瓷畴壁转动困难, 陶瓷压电性能较弱, 应变滞后也较小。随BiAlO₃掺杂量增加, 缺陷偶极子“钉扎”效应减弱, 陶瓷的压电性能和应变滞后随之提高。本实验得到的性能最优组分为x=1.75%, 该组份陶瓷的压电系数d₃₃=504 pC/N, 机电耦合系数k_p=0.71, 机械品质因数Q_m=281, 居里温度T_C=312 ℃, 在10 kV/cm电场下的应变滞后仅为15%, 并且还具有较好的温度稳定性, 是一种具有应用价值的压电驱动器用压电陶瓷材料。     

Bi2Sn2O7的合成及其光催化性能

Bi₂Sn₂O₇是一种特殊的烧绿石结构复杂氧化物, 具有可见响应光催化性能, 其带隙约为2.61 eV。采用水热法合成出棒状Bi₂Sn₂O₇和颗粒组成的球形Bi₂Sn₂O₇光催化材料, 发现通过改变反应物的添加次序, 可以产生不同的成核形式, 从而导致产物的最终形貌不同。在可见光激发下, 以罗丹明B为目标降解物进行了产物光催化性能的表征。由纳米颗粒组成的球状Bi₂Sn₂O₇表现出更强的光催化性能, 100 min时降解率达98%。通过光催化过程中的自由基淬灭反应, 发现Bi₂Sn₂O₇降解有机污染物的主要活性物种为超氧自由基和空穴。