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《四川大学》 2002年
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掺镧钛酸铋粉体、陶瓷及薄膜的溶胶-凝胶制备技术与性能研究

申林  
【摘要】: 本论文以硝酸铋[Bi(NO_3)_3·5H_2O],硝酸镧(La(NO_3)_3·6H_2O],钛酸丁酯[(C_4H_9O)_4Ti]为初始原料,采用三种溶胶掇胶(Sol-Gel)工艺,分别制备了不同组分的掺镧钛酸铋(Bi_(4-x),La_x)Ti_3O_(12)(简记为BLT)粉体和陶瓷,在Si基片上制备了不同组分的BLT薄膜;采用红外光谱技术,研究了Sol-Gel的反应机理,由此优化Sol-Gel工艺过程;采用激光光散射颗粒度分析、XRD、SEM、TEM、EDAX、AFM、XPS等现代材料分析表征技术及相关测试技术,研究了BLT粉体的固相反应、结晶性能以及颗粒度大小和分布情况;掺镧钛酸铋陶瓷的物化结构性能以及陶瓷的介电常数和介电损耗;分析研究了BLT薄膜的膜厚、表面形貌与微结构、结晶性能以及化学成分、各元素的化学价态;系统地研究了Bi_4Ti_3O_(12)的晶体结构,特别是La~(3+)离子的引入对Bi_4Ti_3O_(12)结构的影响,深入讨论了La~(3+)离子在Bi_4Ti_3O_(12)中的行为。通过以上研究工作,本论文得到以下具有创新性的研究成果: 1.在配制溶胶时,加入与钛酸丁酯等摩尔量的冰乙酸,可以较好地控制钛的水解聚合反应速度,实现反应的可控性;同时,采用本文提出的工艺,可以制备出结晶性能良好,结构一致的BLT粉体。 2.BLT初始粉体在730℃左右发生固相反应,生成BLT颗粒;730℃以下烧结的粉体为含立方(Bi,La)_(12)TiO_(20)相和单斜(Bi_(3.6),La_(0.4))Ti_3O_(12)相的混合物,730℃以上烧结的粉体为完全单斜结构的BLT多晶颗粒体。730 四川 大学博士学位论文 一 ℃以下烧结的粉体颗粒度为3G100nm,平均颗粒度为60urn左右;730 C以上烧结的粉体颗眯剑窒为3op900nln,平均颗粒度为500nln左右。 3.采用本文工艺制备的BLT陶瓷为类钙钛矿结构,表面致密。BLT陶瓷 的密度随lurk的增加而减小;陶瓷的极化场强约为4.slNjtlllTI,介电 性能为:介电常数。=425(IkllZ),损耗角正切馆o二0.05(IkHZ)。掺 杂量的研究表明,当XZ0.4时,b的弓!入对介电常数和介电损耗有较 大影响,即使介电常数升高,介电损耗陶氏。 4.SEM W表明:BLT fiqjlgffe面比较致密,结晶胜能比较好,无明显的 裂缝和孔洞等缺陷,晶粒大小比较均匀。AFM进一步分析表明,BLT 薄膜晶粒较小,平均为30nln左右,表面【怖恍猾,均方根面粗糙度为 4.203urn;薄膜厚度约为400urn,折射率为238;消光系数随着n含量 的增加而增加,BLTh、BLT4、BLT6薄胎织引立的消光系数分别为0.0626, 0.0992,0.101。 5.XI(DA表明BLTap结晶性g带敌仔,采用本文工艺能得到沿(00) 高度择优取向的BLT薄膜。XRD 6t15tl--xrn明,拔您子的引入将引起 晶格畸变,顺破晶格常数:晶格常数C脯鹏子的增加而减小, BLTh、BLT4、BLT6 Hlr组分薄胎织力立的 C olJ为:32.8059、32.7164、 32.58二0。 6.TIS3yli)---Ai明,采用本文SolGelu备的BLTop中 Bi、n、i、 O四种元素都以层状类钙钛矿结构中各元素相应的化学态而存在。矿 离子狐(BiZQZ)乍后,对三价 Bi3+离子的化学环境的影响非常明显, 使其结合能陶巳反之,劲旷 离子对旷离子的化学环境也有影响, 换言之,Bi3+离子和拔”离于之间相聪响,相互破。 7.通过对比讨论分析并从群论的角度对钛酸秘的晶体结构的研究结果表 明:虽然钛酸秘的尸=90“,但它仍然属于单斜晶系。
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