Bi_4(M)Ti_4O_(15)系统含铋层状结构铁电陶瓷的研究

本工作制得几种分子式为 Bi_4(M)Ti_4O_(15)的含铋层状结构铁电陶瓷,其中 M=Ca、Sr、Ba 和 Pb。测量了它们的介电、压电性能以及 Bi_4SrTi_4O_(15)(BST)陶瓷的性能稳定性。这些陶瓷的介电和压电性能除居里温度(420～800℃)有所不同外,其它性能基本相似:d_(33)=16～20×10~(-12)C/N;ε_(33)=160～250;tanδ=0.005～0.02。根据铁电电滞回线,BST 陶瓷在室温下的饱和自发极化 P_(?)和矫顽场强 E_(?)分别为12μC/cm~2和80kV/cm。性能测量表明,它们的抗热处理和抗一维压应力的去极化能力优异,试样经400℃或500℃处理1h 后,d_(33)值几乎不变,当压应力σ高达200MPa 并至少经20次循环,其释放电荷量 Q 和应力σ仍呈线性。由BST 陶瓷制得的加速度计,在-190～300℃之内其释放电荷 Q 相对室温的变化率<5%。当 Ba~(2+)、Sr~(2+)和 Ca~(2+)分别取代 M 时,发现陶瓷的居里温度 T_c 逐渐递增,此变化程序正好与具有相应离子的 ABO_3型钙钛矿结构的相反。文章对出现上述现象的原因作了讨论。     

(0.84-x)Na_(0.5)Bi_(0.5)TiO_3-0.16K_(0.5)Bi_(0.5)TiO_(3-x)SrTiO_3系无铅压电陶瓷结构与电性能

采用固相法制备了Bi补偿的(0.84-x)Na0.5Bi0.5TiO3-0.16K0.5Bi0.5TiO3-x SrTiO3(简称NBTKBT-xST)无铅压电陶瓷,研究不同ST掺量对体系陶瓷的结构与电性能的影响规律。结果表明,在掺杂范围内(0≤x≤0.06),材料均能形成单一的钙钛矿固溶体结构。随着x的增加,陶瓷晶体结构逐渐由三方相向四方相过渡,且该体系的三方-四方准同型相界(MPB)位于0.03≤x≤0.04。在此组成区域内,体系陶瓷的铁电与压电性能较好,其中x=0.04时,材料的电性能较好:压电常数d33=156 pC/N,平面机电耦合系数k p=0.29,相对介电常数εr=1116,介质损耗tanδ=4.1%,剩余极化强度P r=30.5μC/cm2,矫顽场E c=23.9 kV/cm。介电温谱和变温电滞回线表明体系陶瓷在T d以上可能存在极性相与非极性相共存。     

Bi_(0.5)Na_(0.5)TiO_3-BaTiO_3系无铅陶瓷的压电、铁电及热释电性能

使用传统的固相烧结法制备了(1-x)Bi_(0.5)Na_(0.5)TiO_3-BaTiO_3无铅压电陶瓷,研究了BaTiO3对陶瓷介电﹑压电﹑铁电及热释电性能的影响。X射线衍射仪(XRD)及扫描电子显微镜(SEM)分析表明,适量的BaTiO3能完全固溶到Bi0.5Na0.5TiO3陶瓷中,当BaTiO3含量为0.05x0.09时,(1-x)Bi_(0.5)Na_(0.5)TiO_3-BaTiO_3陶瓷处于三方四方两相共存状态,形成了准同型相界(MPB)。在MPB处,陶瓷的介电﹑压电、铁电及热释电性能均达到最佳:d33～170pC/N,εr～869,kp～27%,Pr～32.91μC·cm-2,Ec～26.5kV·cm-1,p～2.01×10-8Ccm-2·℃-1,FV～1.81×10-2 m2·C-1,FD～0.82×10-5Pa-1/2。对阻抗频率特性的研究发现,BaTiO3的加入能使材料性能"软化"。研究还发现适量BaTiO3的加入能促使BNT压电陶瓷的退极化温度向高温方向移动,93Bi0.5Na0.5TiO3-7BaTiO3陶瓷在80℃开始由铁电相向反铁电相转变。     

Sb_2O_3掺杂对(Na_(1-x)K_x)_(0.5)Bi_(0.5)TiO_3无铅压电陶瓷性能的影响

采用传统工艺制备了(Na0.84K0.16)0.5Bi0.5TiO3压电陶瓷,研究掺杂离子Sb3+对(Na0.84K0.16)0.5Bi0.5TiO3微观结构和电性能的影响。结果表明烧结温度在1160℃时,样品密度达到最大值5.85g/cm3;X射线衍射(XRD)分析所有陶瓷样品均为钙钛矿相,Sb2O3的掺杂只改变晶胞体积或产生铋离子空位或钠离子空位,不形成异相;掺杂量在0.4%~0.6%时介电常数先增加后减小,介电损耗呈现增大趋势;掺杂0.5%的Sb2O3时,d33最大为142pC/N。     

铋层状共生结构铁电体Bi_7Ti_4NbO_(21)的第一性原理计算

铋层状共生结构铁电体Bi7Ti4NbO21具有天然的超晶格结构。采用基于密度泛函(DFT)的第一性原理计算对Bi7Ti4NbO21及其相关化合物进行了研究。计算得到Bi7Ti4NbO21的生成焓为-56.21 eV,带隙为0.796 eV,而对于组成单元Bi3TiNbO9和Bi4Ti3O12,生成焓分别为-30.72和-43.32 eV,带隙分别为2.535和2.436 eV。分析表明,共生结构Bi7Ti4NbO21相对于同组分的组成单元处于热力学亚稳态,其钙钛矿层是电子电导的主要影响因素,带隙相对于组成单元减小也是源于钙钛矿层的导带底的下移。     

Nb改性Bi_4Ti_3O_(12)高温压电陶瓷的研究

采用固相法(成型压力~12MPa)获得了Nb改性的Bi4Ti3O12(BIT+xmol%Nb2O5)层状压电陶瓷.研究发现随着Nb2O5含量的增加,a-b面取向的晶粒逐渐增多,晶粒尺寸愈细化与均匀.Nb2O5的引入明显降低了BIT系列陶瓷的导电率和介电损耗,提高了陶瓷的相对密度﹑压电与机电性能.适量Nb2O5(x=4.00)掺杂时,陶瓷的电导率(~10-13S/cm)比纯BIT的降低了2个数量级,且该陶瓷的相对密度-=98.7%,tanδ=0.23%,d33=18pC/N,Qm=2804,kp=8.1%,kt=18.6%,Np=2227Hz.m,Nt=2025Hz.m.BIT+xmol%Nb2O5(x=4.00)陶瓷在600℃经退极化处理后,其d33基本保持不变(~17pC/N),表明该材料在高温器件领域具有良好的应用前景.     

Yb_2O_3的掺杂方式对Ba(Ti_(1-y)Zr_y)O_3陶瓷介电性能的影响

在Ｂａ（Ｔｉ１－ｙＺｒｙ）Ｏ３中,Ｙｂ２Ｏ３的不同掺杂方式引起了材料性能的显著变化．采用 Ｂａ（Ｔｉ１－ｙＺｒｙ）Ｏ３合成后Ｙｂ２Ｏ３的适量掺杂,陶瓷介温峰明显地移动,介电常数大幅度提高, 获得了室温介电常数＞２５０００,１２５０℃左右烧成,符合Ｙ５Ｖ标准的高介材料．合成后掺杂的 Ｙｂ２Ｏ３,使材料介电常数提高,可能与施主掺杂引入的局域化电子有关．合成前掺杂Ｙｂ２Ｏ３ 的样品,介电常数较低,移峰效率偏小,可能是Ｙｂ的Ｔｉ位受主取代使施主引入的局域化电子 得到补偿的结果．     

CeO_2掺杂对SrNa_(0.5)Bi_(4.5)Ti_5O_(18)高温无铅压电陶瓷性能的影响

用固相合成法制备SrNa0.5Bi4.5Ti5O18+x%(质量分数)CeO2(SNBTCx)铋层状无铅压电陶瓷,研究了CeO2掺杂对SNBTCx陶瓷微观结构和电性能的影响。结果表明,CeO2掺杂并未改变SNBTCx陶瓷的晶体结构,所有样品均为单一的铋层状结构陶瓷;CeO2掺杂没有使SNBTCx陶瓷居里温度发生明显变化,居里温度均高于560℃;随着CeO2掺杂量的增加SNBTCx陶瓷材料的介电常数减小,但是其介电损耗先增大后减小。当CeO2掺杂量为0.3%(质量分数)时SNBTC0.03陶瓷具有最优电性能:Tc=567℃,d33=29 p C/N,tanδ=0.015,且在500℃退极化处理后,其d33仍保持在22 p C/N以上,说明SNBTC0.03陶瓷可在高温下应用。     

Ce~(3+)掺杂YAG透明陶瓷的制备与光性能研究

采用高纯微米级商业原料(≥99.99%)α-Al2O3、Y2O3和CeO2,用固相反应法制备了0.3at%Ce3+∶YAG透明陶瓷.粉体经行星式球磨,陶瓷素坯在1750℃真空烧结10h,真空度10-3Pa,双面抛光后,厚度为1.2mm的透明陶瓷试样在可见光区500~900nm的直线透过率可达80%左右,光学均匀性良好.荧光光谱分析表明,发射峰位于500~700nm之间,这是Ce3+的特征发射.结果表明,Ce∶YAG透明陶瓷的发光性能与相应的单晶相当,有望作为闪烁材料应用于中低能量射线(α、β粒子等)的探测.     

锰掺杂对(K_(0.5)Na_(0.5))NbO_3-LiNbO_3压电陶瓷结构和性能的影响

采用传统陶瓷制备工艺制备了(K_(0.5)Na_(0.5))NbO_3-LiNbO_3-xMnO_2压电陶瓷,分析了陶瓷样品的微观组织结构.实验结果表明,随MnO_2掺杂量的增多,陶瓷由四方相转变为正交相,晶粒的均匀性下降并生成K_3LiNb_6O_(17)相.研究了MnO_2不同掺杂量对陶瓷压电性能的影响.结果表明,随锰掺杂量的增加,材料逐渐变"硬",机电耦合系数k_p和压电常数d_(33)逐渐减小,同时Q_m逐渐增大;当MnO_2含量为0.8%(质量分数)时,陶瓷的机械品质因数达到最大,此时陶瓷的压电性能为:k_p=0.34,k_t=0.43,d_(33)=110pC/N,Q_m=401.3.     

掺杂Zr对Bi_4Ti_3O_(12)铁电薄膜性能的影响

本文采用x射线衍射法对溶胶-凝胶法备制B位掺杂Zr的铁电薄膜Bi3.15Nd0.85Ti3-xZrxO12。对所制备的薄膜进行XRD测试、疲劳分析及铁电性能分析。结果表明:对BNT进行B位Zr4+掺杂后,随着掺量的增加,BNTZ薄膜的剩余极化值逐渐增加,当x=6%时达到最大,随后随着Zr掺量的继续增加,剩余极化值开始减小,而矫顽电压Vc值几乎没有什么变化;掺杂了Zr薄膜的疲劳特性均比未掺杂的BNT薄膜的要差一些。     

Ba_(1-x)Ca_xZr_(0.1)Ti_(0.9)O_3陶瓷介电性能的研究

电容器是电子设备中大量使用的电子元件之一,在工农业、国防、科学研究和日常生活中都有广泛的应用。其中陶瓷电容器具有耐高温、耐腐蚀、介电常数高、性能稳定等特点,满足当前集成电路对电容器小型化、高容量的要求。以Ba CO_3、Ca CO_3、Zr O_2和Ti O_2等为原料,Y_2O_3为掺杂剂,以掺杂量为0.05%Y_2O_3(摩尔百分比)的Ba_(1-x)Ca_xZr_(0.1)Ti_(0.9)O_3陶瓷材料为研究对象,研究了Ca CO_3加入物对体系微观形貌和介电性能的影响。结果表明,Ca CO_3的加入不改变试样主晶相,但随着Ca CO_3掺杂量的增加,晶粒尺寸逐渐增大,试样的室温介电常数εr有所提高,试样的介电损耗tanδ骤然增大,然后降低。与此同时,材料的居里温度向低温方向移动,但移动范围较小;样品的介电常数峰值逐渐降低,样品的介电常数温度变化率减小。     

硅衬底Bi_4Ti_3O_(12)和Bi_(3.25)La_(0.75)Ti_3O_(12)铁电薄膜的慢正电子束研究

对硅衬底生长的Bi4Ti3O12和Bi3.25La0.75Ti3O12薄膜样品测量了慢正电子多普勒展宽谱,得到了S参数随正电子注入能量的变化。通过对S参数和W参数的分析,讨论了这类材料中的捕获态特征和结构特点,结果表明,薄膜与硅衬底界面的缺陷为空位-氧复合体,La的掺杂有助于阻止空位-氧复合体向界面的扩散。     

(0.995-x)K_(0.48)Na_(0.52)NbO_3-0.005BiCoO_(3-x)Bi_(0.5)Na_(0.5)ZrO_3无铅压电陶瓷相结构及电学性能的研究

采用传统固相法制备了(0.995-x)K_(0.48)Na_(0.52)NbO_3-0.005BiCoO_(3-x)Bi_(0.5)Na_(0.5)ZrO_3(KNN-0.005BCxBNZ,x=0~0.045)系无铅压电陶瓷,研究了Bi_(0.5)Na_(0.5)ZrO_3的引入对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,BNZ的引入能够同时使KNN陶瓷的正交-四方相变温度(TO-T)向低温方向移动,三方-正交相变温度(TR-O)向高温方向移动。当0.03x≤0.04时,陶瓷在室温附近正交-四方(O-T)相和三方-正交(R-O)相(即R-O-T相)共存,使陶瓷的电学性能得到大幅提高;当x=0.035时,陶瓷具有最优的电学性能:d33=320pC/N,kp=52%,Pr=19.7μC/cm2,εr=1 400,tanδ=2.5%,TC=335℃。     

Bi~(3+)和Ce~(3+)掺杂对Ca_(0.99)(WO_4)_(0.5)(MoO_4)_(0.5)∶0.01Eu~(3+)荧光粉体结构与发光性能的影响

采用高温固相法,分别以Bi ~(3+)和Ce~(3+)为掺杂离子,制备了红色荧光材料Ca_(0.99)(WO_4)_(0.5)(MoO_4)_(0.5)∶0.01Eu~(3+)。研究了Bi ~(3+)和Ce~(3+)的不同掺杂量分别对该红色荧光材料的相结构、显微结构和荧光性能的影响。结果表明:Bi ~(3+)、Ce~(3+)的掺入并不影响Ca_(0.99)(WO_4)_(0.5)(MoO_4)_(0.5)∶0.01Eu~(3+)晶相的形成,合成的荧光粉体结构均为四方纯相。当Bi ~(3+)摩尔掺杂量在1%(摩尔百分数,下同)~4%范围内逐渐增加时,粉体的荧光强度先增强而后降低,一定量的Bi ~(3+)掺杂能够改善粉体的形貌,而Ce~(3+)摩尔掺杂量在1%~4%范围内变化时,粉体的荧光性能呈降低趋势,粉体的颗粒不均匀,粉体表面有缺陷。     

Ce~(3+)和Y~(3+)掺杂对Ca_2MgSi_2O_7:Eu~(2+)荧光粉发光性能的影响

在还原气氛下,采用高温固相法合成了Ca_2MgSi_2O_7:Eu~(2+),Rs~(3+) (R~(3+)=Ce~(3+),Y~(3+))系列荧光粉.结果表明,少量稀土离子的掺入没有改变晶体的物相结构.在Ca_2MgSi_2o_7:Euz~(2+)荧光粉中,Ce~(3+)和y~(3+)的掺入对荧光强度的影响较大,且与掺杂元素、掺杂量相关.当掺杂Ce~(3+)和Y~(3+)的量分别为0.007mol和0.05mol时,所得荧光粉在532nm处的发光强度分别是未掺杂时的127%和117%.结果表明,在Ca_2MgSi_2O_7中Ce~(3+)与Eu~(2+)存在能量传递,Ce~(3+)的加入显著敏化了Eu~(2+)的发光,导致荧光强度的进一步提高;Y~(3+)的掺杂可以使荧光粉的粒径减小,并导致基质中的电荷缺陷而敏化Eu~(2+)发光,从而使荧光强度进一步提高.     

MnO_2掺杂0.92[Bi_(0.5)(Na_(0.7)K_(0.25)Li_(0.05))_(0.5)]TiO_3-0.08Ba(Ti,Zr)O_3基无铅压电陶瓷

采用二次合成法制备了新型0.92[Bi0.5(Na0.7K0.25Li0.05)0.5]TiO3-0.08Ba(Ti,Zr)O3+x(wt%)(质量分数)MnO2体系无铅压电陶瓷,研究了陶瓷的晶相结构、表面形貌、压电介电性能。研究结果表明,制备的陶瓷样品均具有单一钙钛矿结构。MnO2的含量为x=0.003时,得到介电损耗低的压电陶瓷:介质损耗tanδ为0.0361,压电常数d33为155pC/N,机电耦合系数kp为0.26,机械品质因素Qm为202;在1160℃,2h的烧结条件下,能够获得致密的无铅压电陶瓷体。     

RTGG法制备(Na_(0.84)K_(0.16))_(0.5)Bi_(0.5)TiO_3无铅压电织构陶瓷的研究

以NaCl-KCl熔盐法制备出了片状的Bi4Ti3O12微晶模板,选用此模板分别采用干法和湿法流延工艺结合RTGG技术制备了(Na0.84K0.16)0.5Bi0.5TiO3无铅压电织构陶瓷。研究了不同工艺条件下获得的织构陶瓷烧结行为、织构度、显微组织结构和电性能的变化规律。结果表明,(Na0.84K0.16)0.5Bi0.5TiO3织构陶瓷的烧成温度范围只有10~20℃,其介电性能、压电性能呈现明显的各向异性,沿垂直于流延方向织构陶瓷的各种电学性能均明显优于平行于流延方向的电学性能,两种流延方法在1150℃烧结所得的(Na0.84K0.16)0.5Bi0.5TiO3织构陶瓷在显微组织结构和电性能方面均表现出最强的各向异性,该织构陶瓷的压电常数d33=134pC/N。     

(1-x)(K_(0.5)Na_(0.5))NbO_3-x(Sr_(0.4)Ba_(0.6))_(0.7)Bi_(0.2)TiO_3无铅铁电陶瓷介电性能研究

采用传统固相烧结法,在铌酸钾钠陶瓷基体中掺入Sr、Ba、Bi和Ti元素,制备了(1-x)(K0.5Na0.5)-NbO3-x(Sr0.4Ba0.6)0.7Bi0.2TiO3((1-x)KNN-xBSBT)(0.01≤x≤0.04)陶瓷。XRD测试结果表明,(1-x)KNNxBSBT(0.01≤x≤0.04)为纯钙钛矿相;介电温谱表明,(1-x)KNN-xBSBT为弛豫铁电体;0.97KNN-0.03BSBT陶瓷介电常数具有很好的温度稳定性,在室温至400℃介电常数变化很小。     

Sol-gel方法制备BiFeO_3/Bi_4Ti_3O_(12)多层薄膜及其电性能

采用溶胶-凝胶方法在FTO/glass底电极上制备了BiFeO3/Bi4Ti3O12和Bi4Ti3O12/BiFeO3多层薄膜。研究了室温下薄膜的结构,铁电性质和介电性质,并将其与纯的BiFeO3薄膜的性质进行了比较。从薄膜的XRD模式中可以观察到共存的BiFeO3相和Bi4Ti3O12相。通过电滞回线测量可以看出,相对于纯的BiFeO3薄膜,BiFeO3/Bi4Ti3O12和Bi4Ti3O12/BiFeO3多层薄膜能够承受更高的测试电场而获得充分极化,从而表现出较强的铁电性,在450kV/cm测试电场下,薄膜的剩余极化强度分别为37μC/cm2和23μC/cm2。