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环保型BaTiO_3基陶瓷介质的掺杂与介电性能的研究

李远亮  
【摘要】: 本文以具有钙钛矿结构的BaTiO_3基陶瓷作为研究对象,分别研究了Sm_2O_3掺杂对(BaxSr1-x)TiO_3、Ba(Sn_xTi_(1-x))O_3和Ba(ZrxTi1-x)O_3陶瓷微观结构与介电性能的影响,以及Y_2O_3和NiO掺杂对(Ba_xSr1-x)TiO_3陶瓷微观结构与介电性能的影响。通过对试样微观结构和介电特性的研究,揭示了Sm_2O_3、Y_2O_3和NiO在BaTiO_3基陶瓷中的掺杂机理。研究结果发现: Sm_2O_3和Y_2O_3在(Ba_xSr_(1-x))TiO_3陶瓷中,随着掺杂量的增加,Sm~(3+)和Y~(3+)有一个优先取代位置,也就是在它们掺杂的起始阶段,Sm~(3+)和Y~(3+)主要进入晶格A位位置,而在其掺杂量超过某个量之后,则以进入晶格B位位置为主,这种优先取代结果导致试样晶胞参数a随掺杂量的增加先减小后增大,试样介电常数先增大后减小。两者都能使试样介电损耗得到改善,尤其是当Y~(3+)掺杂量为1.0 mol%时,试样介电损耗降低到0.0015。两者掺杂结果的显著不同在于Y~(3+)掺杂使试样表现出了弥散相变特性,而Sm~(3+)掺杂却没有。 当NiO被添加到(BaxSr1-x)TiO_3陶瓷中时,只有一少部分Ni~(2+)离子进入晶格的B位取代Ti4+离子,导致试样晶格参数轻微增加,之后NiO主要在晶界附近聚集,形成BST/NiO复合材料。试样介电常数随NiO掺杂量的增加而下降,介电温谱显示含Ni试样具有弥散相变特性,且随掺杂量的增加,效果越明显,这也使试样介电温谱得到了很大改善。 Sm_2O_3的加入并不改变BTS10和BZT20陶瓷的主晶相结构,与空白试样相比,掺杂微量Sm~(3+)会使晶粒尺寸下降。随着Sm_2O_3掺杂量的增加,BTS10和BZT20陶瓷试样介电常数先增大后减小,当试样介电常数最大时,其介电损耗也最高。BTS10和BZT20陶瓷试样Tm和Sm_2O_3掺杂量之间的变化规律大致相似,不同点在于BTS10陶瓷的Tm在Sm_2O_3掺杂起始阶段并不改变。 掺杂Sm_2O_3的BTS10和BZT20陶瓷试样均具有弥散相变特性,但二者有两点明显不同,其一,BTS10空白试样本身并不具有弥散相变特性,而BZT20空白试样即具有弥散相变特性。其二,随Sm_2O_3掺杂量的增加,BTS10陶瓷试样弥散特性一致增强,而BZT20陶瓷试样弥散特性却是先变弱后增强。这种差别说明,在Sm_2O_3掺杂起始阶段,一部分Sm~(3+)进入了BTS10陶瓷晶格B位位置,而在BZT20陶瓷中却没有,而两者试样Tm在Sm_2O_3掺杂起始阶段变化的差异性也说明了这一点。


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