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《西安科技大学》 2017年
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钛酸铋钠系陶瓷的共掺杂与固溶改性研究

郝星辰  
【摘要】:钛酸铋钠Na_(0.5)Bi_(0.5)TiO_3(NBT)因其具有较高的居里温度、良好的机电耦合系数以及优异的铁电压电性能等而备受关注。另外,发现该材料还具有潜在的离子电导特性,引发了新一轮探索。而其作为铁电压电材料应用时,矫顽场较高极化困难以及漏电流较大,对其性能仍需进一步改善;作为电解质应用时,材料的电导性能也仍需进一步提高。因此,本论文通过离子掺杂及固溶改性手段对钛酸铋钠材料进行改性,以提高不同用途下材料的性能,并对陶瓷样品的微结构及电学性能进行了研究。基于离子掺杂改性原理,采用改进的固相反应工艺制备了 Na_(0.5)Bi_(0.5-x)Sr_xTi_(1-x)Ga_xO_(3-δ)陶瓷,利用X射线衍射仪、扫描电子显微镜及电学性能测试系统等测试手段,研究了Sr~(2+)、Ga~(3+)共掺杂量对NBT陶瓷的相结构、微观形貌、阻抗特性及介电性能的影响规律,并对材料的电导率进行了计算分析。结果表明:引入一定量的Sr~(2+)、Ga~(3+)后,NBT陶瓷的电导性能得到提升,在阻抗图谱中其晶粒电导与晶界电导能够明显区分,电导机制从电子电导转变为离子电导。随着Sr~(2+)、Ga~(3+)掺杂量的增加,材料的总电导率、晶粒电导率及晶界电导率均先增大后减小,当x=0.O_3时,总电导率在810℃下高达0.024S/cm,电导激活能降低至0.48eV,表明该材料在固体电解质应用方面很有潜在的应用价值。基于固溶改性方法成功制备了(1-x)Na_(0.5)Bi_(0.5)TiO_(3-x)La(Zn_(0.5)Ti_(0.5))O_3系列陶瓷,研究了该系陶瓷的相组成、微观形貌及电学性能的变化规律。结果表明:引入一定量的La(Zn_(0.5)Ti_(0.5))O_3后,NBT仍保持单一的钙钦矿结构。La(Zn_(0.5)Ti_(0.5))O_3的引入起到了细化晶粒的作用,且晶粒棱边更分明,同时对材料体系的介电性能有显著影响。随着La(Zn_(0.5)Ti_(0.5))O_3引入量的增加,材料体系的介电弥散因子增大,弛豫增强,介电弛豫激活能降低,当x=0.018时降至最低,为1.32eV。另外,La(Zn_(0.5)Ti_(0.5))O_3的引入也使得材料体系的铁电性能得到改善,随着La(Zn_(0.5)Ti_(0.5))O_3含量的增加,材料体系的矫顽场由43.4 kV/cm降低至23.7kV/cm。为了提高NBT基材料的铁电性能,在x=0.0O_3和x=0.018组分的基础上,引入0.06BaTiO_3来构建NBT的准同型相界(MPB)。结果发现:当x=0.0O_3时在电场的作用下引发的相变为不可逆相变;当x=0.018时,该相变为可逆相变,且其动态压电常数高达60pm/V。将LaGaO_3组分引入到钛酸铋钠体系中成功制备了(1-x)Na_(0.5)Bi_(0.5)TiO_(3-x)LaGaO_3系列陶瓷,结果发现:引入微量的LaGaO_3后NBT以R3c相存在,并且在引入LaGaO_3后并未观察到NBT材料的离子电导特性。随着LaGaO_3引入量的增加,材料体系的电导激活能与介电弛豫激活能均有所降低,在x=0.012时,电导激活能为1.30 eV,介电弛豫激活能为0.65 eV,并进一步探索比较了电导激活机制与介电激活机制,表明该类材料在中温段的离子传导主要以隧道传导机制进行,使其有望作为中温型固体电解质材料应用。
【学位授予单位】:西安科技大学
【学位级别】:硕士
【学位授予年份】:2017
【分类号】:TQ174.1

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【参考文献】
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