铌酸锶钡/钛酸锶钡复相陶瓷制备、结构和性能研究

【摘要】： 本文采用粉末-溶胶法制备铌酸锶钡(Sr_xBa_(1-x)Nb_2O_6, 0.25≤x≤0.75,SBN)和钛酸锶钡(Sr_xBa_(1-x)TiO_3,SBT)两相共存的复相陶瓷,简称SBN/SBT。系统研究了SBN/SBT复相陶瓷的制备方法及制备过程中的影响因素。利用TG-DTA、X射线衍射仪(X-Ray diffraction,XRD)、扫描电子显微镜(Scanning Electron Microscopy , SEM)、X射线光电子能谱(X-Ray Photoelectron Spectroscopy,XPS)、LCR数字电桥和静电计等研究了相组成、显微结构与介电性能和热释电性能之间的关系。 采用粉末-溶胶法,当预烧温度为800℃、烧结温度为1250℃、保温时间为3h时可获得SBN和SBT两相微观结构均匀、致密的复相陶瓷。提出了粉末-溶胶工艺制备复相陶瓷SBN/SBT的双相形成机理,研究了不同Nb/Ti比、Sr/Ba比以及La~(3+)掺杂量变化对体系的致密度、颗粒形貌和介电损耗等性能的影响。提出并利用公式Δ(O-Nb)= BE(O_(1s)) - BE(Nb _(3d5/2))和Δ(O-Ti)= BE(O_(1s)) - BE(Ti_(2p3/2)),研究复相陶瓷的Nb/Ti比、La~(3+)掺杂变化对[NbO_6]和[TiO_6]的结构影响,解释了与介电损耗之间的关系。利用公式Δ(O-Ba) = BE[O_(1s)(I)] - BE[Ba_(3d5/2)]和Δ(O-Sr) = BE[O_(1s)(II)]-BE[Sr_(2p3/2)],解释复相陶瓷中的Ba~(2+)和Sr~(2+)对复相陶瓷介电常数的影响。随着Nb/Ti比接近5:5,O-Nb键和O-Ti键的晶格振动回复力逐渐增加,降低了复相陶瓷的本征介电损耗,Δ(O-Ba)和Δ(O-Sr)则逐渐增加,即复相陶瓷的极化率提高,增加了复相陶瓷介电常数,而复相陶瓷0.7BaO·0.3SrO·0.5TiO_2·0.5Nb_2O_5热释电系数,相对于单相钙钛矿相(Ba_(0.7)Sr_(0.3))TiO_3和钨青铜相(Ba_(0.7)Sr_(0.3))Nb_2O_6温度响应范围明显提高。 采用公式Δ(O-Nb)=BE(O_(1s))-BE(Nb_(3d5/2))和Δ(O-Ti) = BE(O_(1s))-BE(Ti_(2p3/2))和Δ(O-Ba) = BE[O_(1s)(I)]-BE[Ba_(3d5/2)]和Δ(O-Sr) = BE[O_(1s)(II)] -BE[Sr_(2p3/2)],表征La~(3+)掺杂对复相陶瓷的[NbO_6]和[TiO_6]与Ba-O和Sr-O特性的影响。研究表明(0.7-z)BaO·(0.3-z)SrO·zLa_2O_3·0.5Nb_2O_5·0.5TiO_2中Nb元素价态不受La~(3+)掺杂的影响,Ti元素价态受La~(3+)掺杂的影响,0.25%mol的La~(3+)掺杂使体系的致密度、颗粒形貌和介电损耗得到明显的改善。通过La~(3+)掺杂使复相陶瓷优值因子的温度稳定性优于0.7BaO·0.3SrO·0.5TiO_2·0.5Nb_2O_5、钙钛矿相(Ba_(0.7)Sr_(0.3))TiO_3和钨青铜相(Ba_(0.7)Sr_(0.3))Nb_2O_6。