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。     

BaTiO3-ZnNb2O6陶瓷介电及储能性能研究

采用固相法制备(1-x)BaTiO₃-xZnNb₂O₆ (x=0.5mol%, 1mol%, 1.5mol%, 2mol%, 3mol%, 4mol%) (简称BTZN)陶瓷, 研究了BTZN陶瓷的烧结温度、结构、介电性能和铁电性能。BTZN陶瓷烧结温度随着ZnNb₂O₆含量增加逐渐降低。XRD结果表明当ZnNb₂O₆含量达到3mol%时出现第二相Ba₂Ti₅O₁₂。介电测试结果表明随ZnNb₂O₆含量的增加, BTZN陶瓷介电常数逐渐减小, 而介电常数的频率稳定性逐渐增强。介电温谱表明所有BTZN陶瓷均符合X8R电容器标准。BTZN陶瓷的极化强度值随着ZnNb₂O₆含量的增加逐渐降低。当x=4mol%时, BTZN陶瓷获得240 kV/cm的击穿电场和1.22 J/cm ³的可释放能量密度。     

MgO/Eu2O3共掺杂对Al2O3陶瓷微波介电性能的影响

利用湿化学法制备了MgO/Eu₂O₃共掺Al₂O₃陶瓷, 研究了不同的MgO/Eu₂O₃掺杂量对Al₂O₃陶瓷物相组成、显微结构和微波介电性能的影响。结果表明: 适量的MgO/Eu₂O₃共掺有助于Al₂O₃的致密化和晶粒生长。在介电性能方面, MgO/Eu₂O₃共掺对Al₂O₃陶瓷的介电常数没有明显的影响, 但对介电损耗的影响显著。随着Eu₂O₃含量的增加, Al₂O₃陶瓷的Q×f值会呈现先增加后下降的变化趋势。0.05wt% MgO/0.10wt% Eu₂O₃共掺的样品在1590℃下保温4 h获得的微波介电性能最佳, ε_r~9.82, Q×f ~225, 225 GHz。Q×f值的这种变化可能与样品微观结构的变化相关。先是随着MgO/Eu₂O₃共掺量的增加, 晶粒尺寸不断增加, 晶界不断减少, 这有利于Q×f值的提高; 接着, 当MgO/Eu₂O₃共掺量进一步增加时, 晶粒尺寸不断下降, 晶界增多, 这会导致样品Q×f值的降低。另外, 应力和第二相也可能对Q×f值的变化产生影响。     

PrBi4Fe0.5Co0.5Ti3O15多铁陶瓷的性能研究

采用传统固相反应法与两步合成法制备了PrBi₄Fe_0.5Co_0.5Ti₃O₁₅陶瓷, 研究了Pr与Co共掺杂对Bi₅FeTi₃O₁₅陶瓷的结构、磁性能以及介电性能的影响。X射线衍射分析显示, 传统固相反应法制备的样品比两步法制备的样品更容易形成单相结构。铁电和磁性测量证明样品具有多铁性, 并且Pr与Co共掺杂能大幅提高材料的磁性能, 固相反应法与两步合成法制备的样品在室温下的剩余磁化强度(2M_r)分别为0.315, 0.576 Am²/kg, 比文献报道的Bi₅FeTi₃O₁₅陶瓷的2M_r ( 2.7 Am²/kg ) 高5个数量级, 比掺Co的Bi₅Fe_0.5Co_0.5Ti₃O₁₅陶瓷2M_r ( 7.8×10^-3 Am²/kg ) 高2个数量级。     

钛酸铜钙纳米纤维/液体硅橡胶复合介质非线性电导性能

为解决直流电缆附件内因温度梯度和材料电导率差异而引起的局部电场畸变的难题,本文通过静电纺丝方法制备了钛酸铜钙（CaCu₃Ti₄O₁₂）纳米纤维,并将其分散在液体硅橡胶中合成了具有非线性电导特性的CaCu₃Ti₄O₁₂纳米纤维/液体硅橡胶复合介质。采用XRD和SEM对CaCu₃Ti₄O₁₂纳米纤维和CaCu₃Ti₄O₁₂纳米纤维/硅橡胶复合介质进行微观结构表征,并对CaCu₃Ti₄O₁₂纳米纤维/硅橡胶复合介质的介电特性、空间电荷特性及在30℃、50℃、70℃条件下电导率随电场强度变化规律和击穿强度进行测试,最后建立电缆附件模型,并对附件应力锥根部电场进行仿真。结果发现:CaCu₃Ti₄O₁₂纳米纤维/硅橡胶复合材料的介电常数和电导率都随着CaCu₃Ti₄O₁₂纳米纤维含量的增加而增大,当纳米纤维达到3vol%时复合介质的相对介电常数增加到3.27,非线性电导率也变化了近4个数量级,经过空间电荷测试发现,空间电荷的消散量与CaCu₃Ti₄O₁₂纳米纤维含量也正相关,复合材料的直流击穿强度随纳米纤维含量的增加而降低,通过对附件进行稳态电压作用下的电场分布仿真分析发现,当CaCu₃Ti₄O₁₂纳米纤维的含量为2vol%时,应力锥根部最大电场强度已经从增强绝缘中转移到电缆主绝缘中,在正、反极性雷电冲击电压作用下,3vol%含量的CaCu₃Ti₄O₁₂纳米纤维/硅橡胶复合介质作为增强绝缘材料时最大电场强度均远远低于其击穿强度。以上实验结果表明,CaCu₃Ti₄O₁₂纳米纤维作为填充相在较低的掺杂浓度实现了对液体硅橡胶的改性,满足了复合介质应用于电缆附件的电气绝缘性能需求。      

(0.96NaNbO3-0.04CaZrO3)-xFe2O3反铁电陶瓷的介电及储能性能研究

0.96NaNbO₃-0.04CaZrO₃(简称NNCZ)陶瓷在室温下展现出稳定的双电滞回线, 但是其储能密度、储能效率和击穿强度都比较低, 限制其成为储能材料。本工作通过掺杂Fe₂O₃, 利用Fe ³⁺离子变价的特点, 实现NNCZ储能性能的优化。采用传统固相法制备了(0.96NaNbO₃-0.04CaZrO₃)-xFe₂O₃(简称NNCZ-xFe)反铁电储能陶瓷, 并对样品的相结构、微观形貌、电学性能和储能性能进行了表征, 重点研究了Fe₂O₃掺杂量对NNCZ陶瓷介电和储能性能的影响规律。结果表明, 样品均具有单一的钙钛矿结构, 掺杂Fe₂O₃能明显降低NNCZ陶瓷的烧结温度, 晶粒平均尺寸随着掺杂量增大先减小后增大, 掺杂量x=0.02时, 晶粒平均尺寸最小(5.04 mm), 且具有较好的储能性能。室温下, NNCZ-0.02Fe击穿强度为230 kV/cm, 击穿前的有效储能密度和储能效率分别为1.57 J/cm ³和55.74%。在125 ℃和外加电场为180 kV/cm下, NNCZ-0.02Fe的储能密度为4.53 J/cm ³。掺杂Fe₂O₃使NNCZ陶瓷的烧成温度降低, 氧空位的迁移速率下降, 抑制晶粒的长大, 同时降低了介电损耗, 使得击穿强度增加; 适量氧空位钉扎使得反铁电相向铁电相相翻转变得困难, 避免出现哑铃状双电滞回线, 从而提高储能效率。本研究结果表明NNCZ-xFe在电介质储能领域具有潜在应用价值。     

低电阻率Ba0.92Ca0.08Ti1.02O3PTCR陶瓷界面缺陷态研究

用TEM和EDS相结合的测试手段,研究了低电阻率Ba_0.92Ca_0.08Ti_1.02O₃PTCR陶瓷材料的界面元素分布.根据界面元素分布的情况,对低电阻率Ba_0.92Ca_0.08Ti_1.02O₃PTCR陶瓷界面可能存在的缺陷态进行分析,认为在低电阻率Ba_0.92Ca_0.08Ti_1.02O₃PTCR陶瓷界面上主要存在以下缺陷结构:Mn"_Ti,Mn’_Ti或Al’_Ti,V"_Ba.     

Sc3+和Ru4+联合取代BZN基陶瓷结构与介电性能的研究

采用传统的固相反应法制备致密的Bi_1.4Sc_0.1ZnNb_1.5-xRu_xO₇陶瓷样品, 研究Sc³⁺, Ru⁴⁺共同替代对Bi₂O₃-ZnO-Nb₂O₅陶瓷的相结构、晶体化学特性和介电性能的影响。结果表明: 当掺杂量x≤0.055 mol时, 样品保持单一的立方焦绿石结构。当掺杂量x=0.055 mol时, X射线衍射峰强度变弱, 峰形变宽。随着掺杂量的增加(0≤x≤0.04 mol), 陶瓷样品的晶格常数a和A位离子与第7个氧O′平均键长R_(A-O')逐渐减小, 结晶化学参数键价和AV(O')[A₄]增大, AV(O)[A₂B₂]减小, 48f(O)偏移量ξ增加。室温下样品的介电常数随着掺杂量的增加而减小, 介电损耗逐渐增加, 介电松弛特征减弱。低温下样品呈现明显的弛豫现象, 峰值温度T_m随着掺杂量的增加向高温方向移动。利用修正的Curie-Weiss(C-W)公式对样品ε_r-T曲线进行最小二乘法拟合, 得出样品的弛豫度γ由R0样品的1.57减小到R40样品的1.33。     

Al2O3掺杂BaTi0.85Sn0.15O3陶瓷的制备及性能表征

通过传统固相二次烧结法来制备x wt% Al₂O₃（x=0、1.0、1.5）/BaTi_0.85Sn_0.15O₃（BTS）陶瓷。研究了掺杂不同含量Al₂O₃对BTS陶瓷的微观结构、介电性能及挠曲电性能的影响。结果表明,掺杂Al₂O₃的BTS陶瓷不改变陶瓷的晶体结构,仍为标准钙钛矿结构晶型;Al₂O₃的掺入能够有效降低晶粒尺寸,具有明显的细晶作用。随着Al₂O₃含量的增大,Al₂O₃/BTS陶瓷的介电常数减小,介电损耗得到明显改善,居里峰逐渐宽化且向温度高的方向偏移。Al₂O₃/BTS陶瓷的挠曲电系数随着Al₂O₃含量的增加和测试环境温度的升高均减小。此外,Al₂O₃/BTS陶瓷的挠曲电系数和介电常数之间存在一种近线性关系,但当温度非常接近于居里温度时,这种线性关系减弱。     

NaCu3Ti3Sb0.5Ta0.5O12陶瓷的高介电性质及相关机制的研究

在不同烧结温度下, 利用传统的固相反应工艺制备了一系列NaCu₃Ti₃Sb_0.5Ta_0.5O₁₂陶瓷, 系统测试了它们的晶体结构、微观结构、介电性质和复阻抗谱。结果显示, 所有的NaCu₃Ti₃Sb_0.5Ta_0.5O₁₂陶瓷的主相都呈现类钙钛矿结构, 介电性质随烧结温度变化很大。高于1020℃烧结的陶瓷的室温相对介电常数大于3000, 具有高介电性质。复阻抗谱显示, NaCu₃Ti₃Sb_0.5Ta_0.5O₁₂陶瓷的电学分布不均匀, 由绝缘性的晶界和半导性的晶界组成。通过XRD和XPS测试发现, 在陶瓷中观察到了CuO第二相和Cu、Ti、Sb、Ta离子的变价。因此, 利用内阻挡层电容效应可以解释NaCu₃Ti₃Sb_0.5Ta_0.5O₁₂陶瓷的高介电性质。     

低密度Fe3O4/中孔炭微球复合材料的可规模制备及吸波性能

采用喷雾干燥法制备出中孔炭微球(MCMSs), 进一步通过液相浸渍得到磁性Fe₃O₄/MCMSs纳米复合材料, 系统研究了复合材料的形貌结构和吸波性能。结果发现, Fe₃O₄/MCMSs复合材料具有优异的流动性和低密度(0.24~0.33 g/cm³)特征, 其中Fe₃O₄纳米颗粒高度分散在MCMSs中孔孔道内。复合材料具有较高的比表面积(548~735 m²/g), 可以促进多种介电弛豫的形成。在2~18 GHz范围内, 复合材料以介电损耗为主, 在12.6 GHz处具有最大反射率-25 dB, 小于-10 dB的带宽达4.7 GHz。复合材料优异的吸波性能可以归因于均相分布的Fe₃O₄纳米颗粒和中孔炭微球的协同作用, 在增大界面弛豫和电磁波散射的同时, 改善了阻抗匹配, 减少了电磁波在吸波层表面的反射。     

Deposition and dielectric properties of CaCu3Ti4O12 thin films on Pt/Ti/SiO2/Si substrates using pulsed-laser deposition

CaCu₃Ti₄O₁₂ (CCTO) thin films were successfully deposited on Pt/Ti/SiO₂/Si(1 0 0) substrates using pulsed-laser deposition technique. The crystalline structure and the surface morphology of the CCTO thin films were greatly affected by the substrate temperature and oxygen pressure. Thin films with a (2 2 0) preferential orientation were obtained at the substrate temperature above 700 °C and oxygen pressure above 13.3 Pa. The 480-nm thin films deposited under 720 °C and 26.6 Pa have a fairly high dielectric constant of near 2000 at 10 kHz and room temperature. The values of the dielectric constant and loss and their temperature-dependence under different frequency are comparable with those obtained in the epitaxial CCTO films grown on oxide substrates.     

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。     

ZBAS对BaAl2Si2O8结构与微波介电性能的影响

采用固相反应工艺, 按化学计量百分比BaAl₂Si₂O₈-x(ZnO-Al₂O₃-SiO₂-B₂O₃)(x=0, 1%, 2%, 3%, 4%)制备样品, 研究了不同含量ZnO-Al₂O₃-SiO₂-B₂O₃(ZBAS)玻璃相对BaO-Al₂O₃-SiO₂系介电材料显微结构及微波介电性能的影响。结果表明: 添加ZBAS玻璃相可以适当降低烧结温度, 促进六方钡长石转变为单斜钡长石。当x≥3%时, 六方钡长石可以完全转变为单斜钡长石。随着ZBAS玻璃相含量的增多, 样品的密度、介电常数(ε_r)、品质因数(Q×f)和谐振频率温度系数(τ_f )增大。在x=3%, 烧结温度为1360℃时, 可以获得综合性能相对较好的单斜钡长石, 其介电性能: ε_r=6.72, Q×f=28058 GHz, τ_f =-29.79×10^-6℃^-1。     

纳米增韧NiFe2O4陶瓷惰性阳极烧结行为与性能的研究

采用粉末冶金法制备NiFe₂O₄纳米粉增韧NiFe₂O₄陶瓷铝电解惰性阳极, 研究了NiFe₂O₄纳米粉添加量对NiFe₂O₄陶瓷惰性阳极烧结行为和材料性能的影响。通过线收缩和SEM对NiFe₂O₄陶瓷的烧结性能和显微结果进行分析。研究结果表明: 随着NiFe₂O₄纳米粉添加量的增加, 烧结收缩程度逐渐增大, 烧结致密化开始温度和烧结初期活化能逐渐降低, 添加量为40%时试样从900℃开始大幅度收缩, 烧结初期表观活化能下降到291.43 kJ/mol。NiFe₂O₄陶瓷惰性阳极的体积密度、抗弯强度和断裂韧性随NiFe₂O₄纳米粉添加量的增加均呈现先上升后下降的变化趋势, 气孔率和静态腐蚀率呈先下降后上升的趋势, 均在30%达到极值, 断裂韧性达到最大值3.12 MPa•m^1/2, 是未添加纳米粉试样的2.14倍。NiFe₂O₄纳米粉的添加能够明显增强晶界结合强度, 降低陶瓷材料气孔率, 从而提高断裂表面能实现增韧作用。     

Frequency dependent electrical conductivity and dielectric relaxation behavior in amorphous (90V2O5–10Bi2O3) oxide semiconductors doped with SrTiO3

We report on the experimental results of frequency dependent a.c. conductivity and dielectric constant of SrTiO₃ doped 90V₂O₅–10Bi₂O₃ semiconducting oxide glasses for wide ranges of frequency (500–10⁴ Hz) and temperature (80–400 K). These glasses show very large dielectric constants (10²–10⁴) compared with that of the pure base glass (≈10²) without SrTiO₃ and exhibit Debye-type dielectric relaxation behavior. The increase in dielectric constant is considered to be due to the formation of microcrystals of SrTiO₃ and TiO₂ in the glass matrix. These glasses are n-type semiconductors as observed from the measurements of the thermoelectric power. Unlike many vanadate glasses, Long's overlapping large polaron tunnelling (OLPT) model is found to be most appropriate for fitting the experimental conductivity data, while for the undoped V₂O₅–Bi₂O₃ glasses, correlated barrier hopping conduction mechanism is valid. This is due to the change of glass network structure caused by doping base glass with SrTiO₃. The power law behavior (σ_ac=A(ω^s) with s<1) is, however, followed by both the doped and undoped glassy systems. The model parameters calculated are reasonable and consistent with the change of concentrations (x).     

V_2O_5与Al_2O_3复合改性CaSiO_3陶瓷的烧结性能与微波介电性能

为降低CaSiO3陶瓷的烧结温度,通过在CaSiO3粉体中添加1wt%的Al2O3以及不同量的V2O5,探讨了V2O5添加量对CaSiO3陶瓷烧结性能、微观结构及微波介电性能的影响规律。结果表明:适量地添加V2O5除了能将V2O5-Al2O3/CaSiO3陶瓷的烧结温度从1 250℃降低至1 000℃外,还能抑制CaSiO3陶瓷晶粒异常长大并细化陶瓷晶粒。在烧结过程中,V2O5将熔化并以液相润湿作用促进CaSiO3陶瓷的致密化进程;同时,部分V2O5还会挥发,未挥发完全的V2O5将与基体材料反应生成第二相,第二相的出现将大幅降低陶瓷的品质因数。综合考虑陶瓷的烧结性能与微波介电性能,当V2O5添加量为6wt%时,V2O5-Al2O3/CaSiO3陶瓷在1 075℃下烧结2h后具有良好的综合性能,其介电常数为7.38,品质因数为21 218GHz。     

La2O3添加对MgAl2O4-CaAl4O7-CaAl12O19复合材料烧结行为的影响

为适应材料轻量化的发展需要,在1 400~1 600℃温度下开发了MgAl₂O₄-CaAl₄O₇-CaAl₁₂O₁₉（MA-CA₂-CA₆）复合材料,并考察了La₂O₃添加对该复合材料烧结行为、显微结构和力学性能的影响。结果表明,La₂O₃添加剂优先固溶到MA-CA₂-CA₆复合材料组成晶相CA₆中,促使CA₆相发生晶格畸变,有效抑制了CA₆晶粒沿基面的异常长大,其形貌由片状向等轴状趋势转变,促使MA-CA₂-CA₆复合材料制备过程中由于CA₆晶粒异常长大而导致的多孔网状显微结构得以有效消除,因此也极大地改善了Mg²⁺的扩散条件,在一定程度上间接促进了MA晶粒的发育,有效促进了MA-CA₂-CA₆复合材料的烧结。经1 200℃预烧、1 600℃保温2 h烧成后,当La₂O₃的添加量为4wt%时,MA-CA₂-CA₆复合材料试样的显气孔率由19.2%下降至6.1%,体积密度由2.78 g/cm³上升至3.18 g/cm³,制得了MA、CA₂、CA₆晶相呈现交织分布、显微结构致密、有利于其力学性能改善的La₂O₃/MA-CA₂-CA₆复合材料,经1 200℃预烧、-1 600℃保温2 h烧成后的4wt% La₂O₃添加试样,其冷态抗压强度由317 MPa增加到了501 MPa。