M_6Ti_2Ta_8O_（30）与M_6Ti_2Nb_8O_（30）陶瓷（M=Ba、Sr、Ca）的介电性能与铁电相变

【摘要】：为探索适合高频和高压应用的介电与铁电陶瓷新材料,本论文系统地研究了充满型钨青铜三元体系MO-TiO_2-Ta_2O_5(M=Ba,Sr,Ca)和MO-TiO_2-Nb_2O_5(M=Ba,Sr)的组成、晶胞结构和介电性能之间的关系,并分析了后者驰豫相变特征。 在BaO-TiO_2-Ta_2O_5(M=Ba,Sr,Ca)三元体系中,Ba_6Ti_2Ta_8O_(30)和Sr_6Ti_2Ta_8O_(30)为四方钨青铜结构,但Ca_6Ti_2Ta_8O_(30)的相组成为立方结构的CaTa_2O_6与少量的CaTiO_3第二相。室温下,Ba_6Ti_2Ta_8O_(30)和Sr_6Ti_2Ta_8O_(30)为顺电相,具有高的介电常数、非常低的介电损耗以及相对较小的介电常数温度系数。然而,名义组成为Ca_6Ti_2Ta_8O_(30)的介电性能与Ba_6Ti_2Ta_8O_(30)和Sr_6Ti_2Ta_8O_(30)陶瓷相差甚远。Ca_6Ti_2Ta_8O_(30)具有较高的介电常数、近零介电常数温度系数以及较低的介电损耗。随着烧结条件的不同,介电常数几乎不变,但介电损耗以及介电常数的温度系数则较为敏感。BaO-TiO_2-Ta_2O_5(M=Ba,Sr,Ca)钨青铜结构体系介电性能可调整空间很大,适用于高频电容器和温度补偿电容器,是一类很有希望的介电陶瓷。 在MO-TiO_2-Nb_2O_5(M=Ba,Sr)三元体系中,室温下为铁电相的Ba_6Ti_2Nb_8O_(30)和Sr_6Ti_2Nb_8O_(30)陶瓷形成了四方钨青铜单相结构。我们研究了它们的微结构和介电性能,揭示了其弥散铁电相变的现象及其本质。与钙钛矿ABO_3结构类似,钨青铜结构也是由数个BO_6氧八面体共顶连接而成,并且可以从轴比10~(1/2) c/a偏离1的程度来推测氧八面体的扭转程度。在Ba_6Ti_2Nb_8O_(30)和Sr_6Ti_2Nb_8O_(30)陶瓷中,两者氧八面体的扭转程度相似,故有相似的居里温度(在1MHz时分别为155℃,160℃)。从相变温度附近拉曼光谱随温度的变化以及修正的居里—外斯定律中,我们可以得出,Ba_6Ti_2Nb_8O_(30)和Sr_6Ti_2Nb_8O_(30)的铁电相变属于位移型相变。由于每个晶胞中含有两种氧八面体,弥散相变的起源很可能是这些氧八面体的无序分布造成的。两种材料在室温下均显示出弱的铁电性,它们的2P_r均为4μC/cm~2。 同时,我们对Ba_6Ti_2Nb_8O_(30)和Sr_6Ti_2Nb_8O_(30)在较小直流偏压下的可调度进行了初步研究,测量了室温及铁电相变温度附近,不同频率下介电常数对外加直流偏置电场(0～2kv/cm)的响应特性。在T_m附近、10kHz以及2.1kV/cm的直流偏置电场下,Ba_6Ti_2Nb_8O_(30)和Sr_6Ti_2Nb_8O_(30)获得最大的介电常数可调度分别为2.84%,0.34%,随外加直流偏压变化很小,故有望作为高压稳定的器件。 综上,本论文研究了MO-TiO_2-Ta_2O_5(M=Ba,Sr,Ca)和MO-TiO_2-Nb_2O_5