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《西安科技大学》 2008年
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铋基焦绿石陶瓷的微结构及介电弛豫特性研究

刘璀  
【摘要】: Bi基焦绿石材料是一种焦绿石结构的新型介电材料,具有低烧结温度、高介电常数、低介电损耗等特点,正成为当今国际学术研究的热点之一。本文从材料科学的角度出发,利用传统固相反应法制备了系列立方Bi基焦绿石材料,通过先进的测试方法获得了Bi基焦绿石陶瓷的微观缺陷信息,揭示了与介电弛豫有关的固体微结构信息,深入探讨了材料组成对固体微结构和介电性能的作用规律。主要研究结果如下: (1)为了探索(Bi_(1.5)Zn_(0.5))(M_(1.5)Nb_(0.5))O_7(BZNM,M=Ti~(4+)、Sn~(4+)、Zr~(4+)、Ce~(4+))四元系焦绿石陶瓷样品的微观缺陷信息,首次采用核物理分析方法——正电子湮没技术,研究了该体系材料的缺陷结构信息。结果表明,材料的缺陷与B位取代离子的离子半径有很大联系。材料B位离子加权半径与(Bi1.5Zn0.5)(Zn0.5Nb1.5)O7材料的差距愈大,材料内部缺陷愈多。由于[MZn¨·VZn?]和[2MNb'·Zni¨]等复合缺陷的形成,导致总的晶界和空位缺陷浓度的降低。结合BZNM系列材料的X射线衍射分析结果,从晶体结构稳定性角度考虑,我们认为不影响Bi基焦绿石材料立方单相结构的B位离子半径范围为0.60~0.72(A|°),稳定结构的离子包括:Ti~(4+)、Nb~(5+)、Ta~(5+)、Sn~(4+)、Zr~(4+)等。 (2)BZNM系列材料的高温电导特性研究表明,在低温区内,电子是主要的电荷载体,本征缺陷对材料电导的贡献不起主导作用。由于晶界电阻会限制电子的迁移,故BZNS材料由于其较少的晶界而表现出较高的电导率。当温度升至高温区时,本征缺陷热运动加剧和材料晶界电阻的降低两种促进作用大于激活能提高的阻碍作用,故材料的电导率随温度的升高而不断增大。由于BZNC陶瓷内部提供的本征缺陷是最多的,故该材料的电导增加的最快,从而造成了在高温区内相对与其它三个样品的电导率,BZNC陶瓷的电导率为最大值。 (3)研究了(Bi_(0.5)Zn_(1.5-x)Sr_x)(Ti_(1.5)Nb_(0.5))O_7(BZSTN,x=0~0.5)系列陶瓷的介电弛豫特性。BZSTN系列材料中x=0.3~0.5的三个样品出现了明显的介电弛豫现象,且随着Sr/Zn摩尔比由3:2增至5:0,三个样品的弛豫度不断降低,意味着三个样品的弛豫程度逐步降低。分析表明材料的介电弛豫是源于结构中O'-A-O'链的弯曲。由于Sr~(2+)和Zn~(2+)的摩尔比越接近,材料内部形成的Sr~(2+)-O′-Zn~(2+)结构对原先的Zn~(2+)-O′-Zn~(2+)的短程有序结构影响程度越高,故三种材料的介电弛豫度随着Sr/Zn摩尔比的增大而逐步降低。理论上适当调整Sr2+离子的引入量,有望获得低温度系数甚至零温度系数的焦绿石陶瓷材料,以解决Bi基焦绿石陶瓷的介电常数对环境温度的敏感性问题。 (4)对比本论文研究的BZNM、(Bi_(1.5)M_(0.5))(Ti_(1.5)Nb_(0.5))O_7(BMTN,M=Mg~(2+)、Ca~(2+)、Sr~(2+)、Ba~(2+))和(Bi_(1.5)Sr_(0.5))(M_(1.5)Nb_(0.5))O_7(BSNM,M=Ti~(4+)、Sn~(4+)、Zr~(4+)、Ce~(4+))三组焦绿石材料,我们发现B位离子的极化率对Bi基焦绿石电介质陶瓷的介电性能有重要的影响,而A位离子并没有表现出这种影响,证明了在Bi基焦绿石陶瓷中,B位离子对材料介电常数的贡献相对于A位离子更大。
【学位授予单位】:西安科技大学
【学位级别】:硕士
【学位授予年份】:2008
【分类号】:TQ174.13

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