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铌酸锶钡陶瓷的烧结行为和掺杂改性研究

王丽丽  
【摘要】: 铌酸锶钡晶体具有优良的电光、热电、压电和光折射性能,是无铅铁电体领域最具应用潜力的材料之一。但复杂的生产技术,高昂的制备成本,严重制约了其在各领域的广泛应用。铌酸锶钡陶瓷以制备成本低、工艺简单等优点受到越来越多研究者的青睐。但传统烧结工艺制得SBN陶瓷因存在晶粒异常长大现象,很难在无压条件下烧结致密,导致材料电学、光学性能与晶体相比还有很大差距。因此,本论文以避免局部液相引起的晶粒异常长大,提高铌酸锶钡陶瓷致密度,改善介电性能为目的,选择无定形SiO_2为烧结助剂,制备高致密度铌酸锶钡和Ce~(3+)掺杂铌酸锶钡陶瓷材料,研究烧结助剂以及Ce~(3+)掺杂对陶瓷烧结行为、显微结构和介电性能的影响。 研究结果表明:随着烧结助剂添加量的增加,SBN陶瓷的烧结激活能减小,烧结速率加快;相同烧结条件下,陶瓷致密度提高,晶粒尺寸增大;同时陶瓷介电性能改善,弥散相变程度减弱。添加1.5wt%的SiO_2时,陶瓷样品相对致密度达到-96.3%,晶粒呈棒状,轴向平均晶粒尺寸约3.5μm;ε_(max)提高到-4322,约为已有研究结果的两倍。说明添加烧结助剂SiO_2是一种能有效提高铌酸锶钡陶瓷致密度,抑制晶粒异常长大,改善介电性能的低成本方法。 对Ce~(3+)掺杂铌酸锶钡陶瓷的研究发现:掺杂的Ce~(3+)在热处理后未完全进入晶格,残留部分在烧结过程中才完全进入晶格。进一步研究发现,与烧结助剂相比,Ce~(3+)掺杂对烧结行为的影响较弱,当SiO_2量达到1.5wt%时,Ce~(3+)掺杂对烧结行为的影响基本可以忽略。但随Ce~(3+)掺杂量的增加,铌酸锶钡晶胞a、c轴缩短,晶胞体积缩小;晶粒尺寸也减小,陶瓷的介电峰值和居里温度降低,弥散相变效应增强,介电性能的频率敏感度增加,升降温过程中热滞现象出现的温度升高。说明在烧结助剂很大程度上控制致密化过程的情况下,Ce~(3+)掺杂仍能起到改善介电性能、减小晶粒尺寸的作用。 本研究使用的原料成本低廉,工艺简单、环保,制备的铌酸锶钡陶瓷烧结范围大,显微结构均匀,介电性能优良,具有较好的实用前景。


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