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(Ca,Nd)TiO_3/(Li,Nd)TiO_3与Ba_pLn_(6-p)Ti_(8-p)M_(2+p)O_(30)(Ln=Nd,Sm;M=Ta,Nb)电介质陶瓷

郑兴华  
【摘要】:为探索高介电常数电介质陶瓷新材料,本论文系统地研究了(1-X)(Ca_(0.61)Nd_(0.26))TiO_3/x(Li_(1/2)Nd_(1/2))TiO_3微波介质陶瓷与充满型钨青铜电介质陶瓷Ba_pLn_(6-p)Ti_(8-p)M_(2+p)O_(30)(Ln=La,Nd,Sm;M=Ta,Nb)的结构与性能,并分析了后者的介电弛豫的起源以及微波应用的可能性。 本研究将温度系数相反的高介电常数微波介质陶瓷(Ca_(1-y)Nd_(2y/3))TiO_3和(Li_(1/2)Nd_(1/2))TiO_3进行复合,在较低烧结温度下(1200—1250℃)获得了正交结构的CaTiO_3基固溶体陶瓷(1-x)(Ca_(0.61)Nd_(0.26))TiO_3/x(Li_(1/2)Nd_(1/2))TiO_3 (x=0.0—0.6)。(1-x)(Ca_(0.61)Nd_(0.26))TiO_3/x(Li_(1/2)Nd_(1/2))TiO_3陶瓷的介电常数随x增加先增加后减小,在x=0.5处达到极值。Qf值和谐振频率温度系数随(Li_(1/2)Nd_(1/2))TiO_3含量增加而线性下降。(1-x)(Ca_(0.61)Nd_(0.26))TiO_3/x(Li_(1/2)Nd_(1/2))TiO_3陶瓷的微波介电性能与A位离子的平均键价密切相关,即A位离子的平均键价下降导致Qf值下降与谐振频率温度系数减小。在较低烧结温度下制备出了一些性能良好的微波介质陶瓷(1-x)(Ca_(0.61)Nd_(0.26))TiO_3/x(Li_(1/2)Nd_(1/2))TiO_3:1)ε=107.7、Qf=11,455GHz、τ_f=236.7ppm/℃(x=0);2)ε=122.5、Qf=1,652GHz、τ_f=5.2ppm/℃(x=0.6)。 对高介电常数、低损耗的充满型钨青铜陶瓷Ba_pNd_(6-p)Ti_(8-p)Ta_(2+p)O_(30)(p=4,5)进行A位、B位与A/B位置换以及两相复合等方法的改性研究,获得了一些适合于温度补偿型电容器的陶瓷。Ti不等价置换Ta的Ba_pNd_(6-p)Ti_(8-p)Ta_(2+p)O_(30)(p=4)陶瓷,温度系数显著地得到改善(τ_ε从-1850ppm/℃改善到-664ppm/℃)。其中x=1.2的Ba_4Nd_2Ti_(4+x)Ta_(6-x)O_(30-x/2)陶瓷介电性能如下:ε=114,tanδ=0.0005,τ_ε=-664ppm/℃。而(Ba_(4-x)La_x)Nd_2Ti_4(Za_(6-x)Sn_x)O_(30)陶瓷的温度系数显著改善到近零(-30ppm/℃)。在Ba_pNd_(6-p)Ti_(8-p)Ta_(2+p)O_(30)(p=5)陶瓷的改性研究中,(1-x)Ba_5NdTi_3Ta_7O_(30)/xBi_4Ti_3O_(12)陶瓷的温度系数τ_ε随Bi_4Ti_3O_(12)增加从负值逐步变为正值。其中0.4 Ba_5NdTi_3Ta_7O_(30)/0.6Bi_4Ti_3O_(12)陶瓷的综合介电性能如下:ε=178,tanδ=0.007和τ_ε=49ppm/℃。A/B位La/Sn协同置换Ba/Ta的(Ba_(5-x)La_x)NdTi_3(Za_(7_x)Sn_x)O_(30)陶瓷,温度系数从τ_ε=-1560ppm/℃显著改善到τ_ε=-286ppm/℃。其中x=0.5、2.5陶瓷的介电性能分别为:ε=118、tanδ=0.00045、τ_ε=-1079ppm/℃;ε=95、tanδ=0.0045、τ_ε=-286ppm/℃。 在BaO-Ln_2O_3-TiO_2-M_2O-5(Ln=La,Nd,Sm;M=Ta,Nb)四元体系中发现了一系列充满型钨青铜固溶体陶瓷Ba_pLn_(6-p)Ti_(8-p)M_(2+p)O_(30)。其中p=3的Ba_pLn_(6_p)Ti_(8-p)M_(2+p)O_(30)(Ln=Nd,Sm;M=Ta,Nb)陶瓷均出现了第二相,其他的陶瓷均为单一的四方钨青铜相。首次利用结构许容因子以及平均电负性差分析 摘要 了BaPLn6一pTis一pMZ+po3。(Ln=La,Nd,Sm;M=Ta,Nb)陶瓷中钨青铜相的稳 定性。当结构许容因子和平均电负性差小到一定程度时,钨青铜相将不再稳定, 从而出现第二相。 在Bao.LnZO3一TIOZ创[b 205(Ln二Nd,Sm)四元体系中发现6种充满型钨青 铜结构的非铅弛豫铁电体B娜Ln6一pTis浏场+P 03。(p二3,4,5)。其中p=4的 B娜城一nTis-pNbZ+P伪。陶瓷十分接近正常铁电体。B补Sm6-PTis-PNbZ+P 03。(p=3)的 陶瓷观察到铁电一铁电相变和铁电一顺电相变两个介电峰。而其它五种陶瓷均只 观察到铁电一顺电相变介电峰。这些陶瓷的铁电性能为:Pr一1四/c扩,氏~10 一ZoKV/cm(B娜Sm6,Tis.浏b2,03。,p=5);p=4和5的B娜Nd6一pTis.PNbZ,03。 陶瓷剩余极化Pr分别为一1.2、0.5林c/c扩,矫顽场Ec则分别为一20、7Kv儿m。 p二4和5的Ba浏d6-P皿s~必几2切伪。陶瓷以及B娜Sm6一Tis巾NbZ十pq。(p二5)陶瓷 有望应用于铁电随机存储器(FRAM)。 氧气氛下退火处理对BaPNd6-nTis.PNbZ+P仇。陶瓷的结构和介电性能具有明显 的效果。退火处理后,BaPN山一pTis.声rb2+P 03。陶瓷晶胞收缩,居里温度降低,同 时低温处的介电弛豫现象消失。但是退火处理对B、Sm师Tis甲NbZ+P 03。陶瓷的结 构和介电性能影响并不明显。 充满型钨青铜陶瓷存在三种典型介电弛豫现象:空间电荷弛豫;1护Hz频率 下的介电弛豫;铁电相变处的介电弛豫。这些介电弛豫的起源如下所述:空间电 荷弛豫是由氧空位所引起的;1071七左右频率的介电弛豫,为氧八面体绕A位阳 离子的转动模;铁电相变处的介电弛豫起源于A位离子的分布情况。 本研究考虑到A位离子以及A位间隙位置的差异,分析了充满型钨青铜陶 瓷B饰Ln6,Tis,MZ十p03。中A位离子的组态情况。结合充满型钨青铜陶瓷的铁电 相变的弛豫程度,确定了充满型钨青铜陶瓷弛豫铁电相变的介电弛豫机制,即A 位离子稳定组态数Ns决定铁电相变介电弛豫的强弱。Ns越大弛豫性越强,越呈 现明显的弛豫铁电体行为;反之则越接近于正常铁电体。 本文还分析了稀土元素以及了习Nb对充满型钨青铜B饰城一pTis-PMZ+P伪。陶瓷 的晶体结


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