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钛酸锶钡/铌铋锌介质陶瓷的制备及介电性能研究

2020-12-02阅读(529)

钛酸锶钡/铌铋锌介质陶瓷的制备及介电性能研究

论文摘要

本文进行了BST基介质陶瓷的制备和介电性能的研究。旨在研制一种具有压控特性的微波铁电陶瓷材料,通过BZN体系的添加和Mn元素的掺杂,改善材料性能。采用传统电子陶瓷工艺制备了BZN陶瓷[yBi2O3-ZnO-Nb2O5（y=1.0）],物相分析表明,其物相为符合反应物化学计量比的α-立方焦绿石结构的Bi1.5Zn0.76)Nb1.5O6.8,可实现880℃烧结。居里温度为+10℃,测试频率为1MHz时介电常数可达180,介电损耗为0.9×10-3。BZN体系显示出的介电常数随温度变化的特性,主要是来源于Bi1.5Zn0.76Nb1.5O6.8微观结构中的极化位移。作为BST/BZN陶瓷掺杂物的BZN体系可低温烧结,介电损耗很低,几乎无偏场可调性。随铋含量增加,BZN的致密烧结温度降低,BZN的居里峰向正温度方向大幅度移动,且介电常数提高。这是由于物相Bi1.5Zn0.76Nb1.5O6.8量随铋含量的增加而增加,介电常数很低的ZnNb2O6、Bi2O3的量相应减少。实验制备出适合低温烧结的BST/BZN材料组成体系。生成物相为立方相Ba0.6Sr0.4TiO3和四方相Ba0.5Sr0.5Nb2O6。微观形貌中,立方相Ba0.6Sr0.4TiO3以椭球形晶粒形式存在,四方相Ba0.5Sr0.5Nb2O6以针棒状晶形式存在。BST/BZN介质陶瓷的居里温度在-25℃,-40℃到-10℃之间居里峰产生展宽效应。1MHz测试频率下,BST/BZN介质陶瓷的介电损耗为8.84×10-3,介电常数为825。偏场可调性Tunability（0.73kV/mm）=1.17%。烧结温度提升到1180℃后,介电损耗变小,偏场可调性Tunability（0.86kV/mm）=1.24%。减少BZN掺杂量后,BST/BZN介质陶瓷的物相为Ba0.6Sr0.4TiO3单相,材料的居里温度在-40℃以下,与BZN掺杂量较多时相比,居里温度降低。1MHz测试频率下,样品介电损耗增加,tanδ=15.23×10-3,偏场可调性Tunability（0.93 kV/mm）= 1.25%。这是由于样品物相中,存在着一定数量的ZnNb2O6和Bi2O3,导致样品介电损耗增加。研究结果显示,适量Mn离子的掺杂可以降低BST材料的损耗,减小介电常数。材料的居里温度可以通过改变配方组成进行调节,当居里温度为0℃时,可调性Tunability（1.2kV/mm）=27%,损耗值为3×10-3,而调节居里温度至-13℃时Tunability（1.2kV/mm）=12%,损耗值为2.5×10-3。材料的居里温度和介电性能与材料的铁电相含量有关,其介电常数可调性和介电损耗均随铁电相含量增大而增大。

论文目录

  • 摘要
  • ABSTRACT
  • 前言
  • 第一章 文献综述
  • 1.1 BST系统概述
  • 1.1.1 BST系统的微观结构与介电性能
  • 1.1.2 BST的晶粒尺寸效应
  • 1.1.3 制备工艺对BST介电性能的影响
  • 1.1.4 BST系统的电场特性与频率特性
  • 1.1.5 BST在移相器中的应用
  • 1.1.6 顺电相状态下钙钛矿型介质偏场可调机理
  • 1.2 BZN系统概述
  • 1.2.1 BZN中焦绿石的相结构
  • 1.2.2 BZN系统的介电频率特性
  • 1.2.3 BZN系统介电常数的温度特性
  • 1.3 BST系统的掺杂改性
  • 1.3.1 复合模式
  • 2O3、ZrO2、MgO和Bi2O3等的掺杂对BST系统的改性作用'>1.3.2 Al2O3、ZrO2、MgO和Bi2O3等的掺杂对BST系统的改性作用
  • 1.3.3 稀土元素掺杂的改性作用
  • 1.3.4 Mn离子掺杂的改性作用
  • 1.4 问题的提出与设想
  • 1.4.1 问题的提出
  • 1.4.2 实验设想
  • 第二章 实验过程与测试
  • 2.1 原料
  • 2.2 工艺流程
  • 2.3 显微结构分析
  • 2.4 数据处理及公式
  • 2.5 性能测试
  • 第三章 BST/BZN 介质陶瓷性能的研究
  • 3.1 BZN系统的组成、结构与性能的研究
  • 3.1.1 相组成和显微结构对BZN陶瓷温度特性的影响
  • 3.1.2 BZN陶瓷介电常数频率特性和介电损耗
  • 3.2 BST/BZN系统的组成、结构与性能的研究
  • 3.2.1 相组成和显微结构对BST/BZN陶瓷温度特性的影响
  • 3.2.2 BST/BZN陶瓷介电常数频率特性和介电损耗
  • 3.2.3 BST/BZN样品介电常数偏置直流电场可调性的研究
  • 第四章 Mn 离子掺杂对BST 材料介电性能的影响
  • 4.1 Mn离子掺杂对BST材料介电常数-温度特性的影响
  • 4.2 Mn离子掺杂对BST材料介电常数与损耗的影响
  • 4.3 不同Mn离子掺入方式对介电常数与损耗的影响
  • 4.4 Mn离子掺杂BST材料介电常数偏场可调性的影响
  • 第五章 结论
  • 参考文献
  • 致谢

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