系列类钙钛矿化合物的组成、结构与介电性能关系的研究

【摘要】：为了探索新型类钙钛矿结构功能材料，本论文根据晶体结构特征与A、B位离子阳离子的特性(半径、电价、极化率)进行组成设计，合成与制备了B位缺位类钙钛矿型A_nB_(n-1)O_(3n)和填满型钨青铜A_6B_(10)O_(30)系列新化合物及陶瓷。系统研究了其组成、晶体结构与介电特性的关系，分析了材料结构与性能的变化规律并探讨了其应用前景。 在Ba_5Nb_4O_(15)—BaTiO_3体系中采用高温固相法制备了Ba_nTi_(n-5)Nb_4O_(3n)(n=6，7，8)系列陶瓷，其中Ba_6TiNb_4O_(18)形成了交替型类钙钛矿结构；Ba_8Ti_3Nb_4O_(24)形成了孪生型类钙钛矿结构；Ba_7Ti_2Nb_4O_(21)陶瓷则高温分解成Ba_6TiNb_4O_(18)、Ba_8Ti_3Nb_4O_(24)两相。随n的增加，容限因子t逐渐增大，结构的稳定性是逐渐降低；介电常数ε_r逐步逐渐增大(45.1～8.6)；品质因子Q·f值逐渐降低(22882～13179)；谐振频率温度系数τ_f迅速增加(+59～+175ppm℃~(-1))。 在BaO—La_2O_3—TiO_2—Nb_2O_5体系中设计、合成与制备了A_6B_5O_(18)型系列新化合物Ba_(6-n)La_nTi_(1+n)Nb_(4-n)O_(18)(n=1，2，3)及其陶瓷。采用X射线粉末衍射Rietveld法对系列新化合物进行了晶体结构分析，其结构可以描述为完全有序堆积的5个共顶相连[(Nb，Ti)O_6]八面体块被一层空的氧八面体[□O_6]隔开。随n的增加即La与Ti取代量的增加，Ba_(6-n)La_nTi_(1+n)Nb_(4-n)O_(18)(n=1～3)陶瓷的介电常数ε_r逐步降低(57.3～48.3)；Q·f值逐步增加(18456～24865)；谐振频率温度系数τ_f迅速降低(+138～+37.3ppm℃~(-1))。通过改进的Clausius-Mosotti方程从单位晶胞体积内离子极化率变化的角度可以很好的解释介电常数的变化规律。Q·f值与谐振频率温度系数的变化与A位、B离子的平均键价变化密切相关，A位、B离子的平均键价随n的增加而上升，引起了陶瓷本征损耗的降低与谐振频率温度系数的下降。经过Nd取代La制备了新化合物Ba_5NdTi_2Nb_3O_(18)和Ba_4Nd_2Ti_3Nb_2O_(18)及其陶瓷，确定了Nd取代La的极限。Nd取代La导致晶胞体积缩小，介电常数ε_r和谐振频率温度系数τ_f也随之降低。其中Ba_4Nd_2Ti_3Nb_2O_(18)具有较高的介电常数ε_r(44.6)，较高的Qf值(18，456GHz)与小的谐振频率温度系数τ_f(+18ppm℃~(-1))，因此具有较好的综合性能。 在BaO—La_2O_3—TiO_2—Nb_2O_5体系中设计、合成与制备了A_5B_4O_(15)型系列新