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非化学计量比钛酸铋钠固溶体的阻抗特性与电学性能研究

徐小敏  
【摘要】:钛酸铋钠(Na0.5Bi0.5TiO3,简称NBT)基无铅压电材料在压电和介电应用领域有广阔的前景,但它也是性能优良的氧离子导体,在作为固体氧化物燃料电池的电解质上有潜在的应用价值,所以引起了广泛的关注。相比其它氧离子导体,NBT基氧离子导体具有以下优点:1.在中低温操作温度下能得到较高的晶粒电导率;2.大部分材料在氧化或还原气氛下只有单纯的氧离子传导,不会产生电子电导;3.在还原气氛下不会产生大幅度的降解等。这些优点使得它具有很大的研究价值。但材料本身结构与性能的关系尚不明确,以及导电、介电等方面的性能有待提高。本文通过对钛酸铋钠进行掺杂,根据XRD、SEM、拉曼、交流阻抗、介电温谱、铁电等表征得出的结果来讨论钛酸铋钠基陶瓷的导电机理和它们的电学性能。Na0.5Bi0.5TiO3铁电体由于其在高温下高漏导电流,表现出氧离子导体的特性。采用传统固相反应法制备了 K和Ga共掺杂NBT陶瓷,并对其导电机理和电性能进行了研究。揭示了该化合物是氧离子传导主导的以及在氮气下的稳定性。随着K+浓度的降低和Na/K-O振动的增强,晶粒导电性得到了提高。过量的K掺杂阻碍了氧空位迁移,这是由于氧空位VO和A位受主KBi的吸引作用,并缩小了氧空位的迁移通道。采用氧空位浓度、容限因子、自由体积、弛豫参数和临界半径等参数对导电性能进行了讨论,结果表明K+和Ga3+的适量掺杂有利于提高Na0.5Bi0.5TiO3基材料的电导率,这对调控Na0.5Bi0.5TiO3基氧离子导体的电学性能是有利的。采用固相法制备了 A 位双掺杂的 Na0.5Bi0.49-x(SrBa)xTiO3-δ(NBSB)、Na0.5Bi0.49-y(SrCa)yTiO3-δ(NBSC),x,y=0.01,0.02,0.04,0.06)陶瓷,XRD 结果表明 NBSB 与NBSC都形成单一钙钛矿结构,无第二相出现。随着Sr,Ba含量的增加,NBSB体系氧空位浓度递增而晶粒电导率无明显规律,在NBSB1电导率最大,达到1.48 mS/cm(450℃)。结果表明,NBSB结构扭曲使得氧空位迁移路径变长,从而限制电导率的增加。对于NBSC,电导率随着掺杂量的增加先减后增,在NBSC6电导率最大是1.26 mS/cm,说明高含量Sr,Ca有利于电导率的提升。NBSB和NBSC的Tm随着掺杂量的增加向低温移动,表现出弛豫特性。缺陷偶极子(VO-2MBi')(M=Sr2+,Ba2+,Ca2+)含量增加促使体系铁电性增强,NBSB和NBSC具有饱和的铁电特征的电滞回线,NBSB6具有较大的双轴应变 0.15%(70 kV/cm)。通过固相反应法制备出Na0.5Bi(0.49-x)KxTiO3,研究其相结构与电学性能。结果显示:相同K+掺杂浓度下,晶粒尺寸随温度增大。适当的K+掺杂(x≥0.01)有助于细化晶粒且大的自由体积和氧空位浓度有利于提高电导率,且NKBT体系的激活能较小,最小为ENKBT05=0.505 eV。在x=0.005 和x=0.01 组分的基础上固溶 Bi0.7Sr0.2O3,构建 NBT 的准同型相界(MPB),研究固溶后的材料电学性能。结果表明:固溶后细化了晶粒,晶粒电导率减小了接近两个数量级,并增大了激活能(如在组分0.6NKBT05-0.4BST,激活能为1.856 eV),降低了介电常数。


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