多铁性BiFeO3-Bi1-xNdxFeO3复合陶瓷制备及铁电性能研究

摘要

铁酸铋(BiFeO3)同时具有铁电性与微弱的铁磁性，是目前唯一的室温单相多铁材料。其铁电居里温度高达830℃，反铁磁尼尔温度为370℃，单晶自发极化值超过90μC?cm-2，具有非常大的基于磁电耦合效应的应用潜力，是当前多铁材料研究的热点。但其G-型反铁磁结构决定了其磁性非常微弱，不利于实际应用。本研究通过稀土掺杂改变其晶体结构，构建复合陶瓷两相相界，成功的对单相铁酸铋的多铁行为进行了调控，并研究了不同相含量及烧结工艺对其铁电铁磁性能的影响规律。
　　首先采用均相共沉淀法合成了BiFeO3及Bi1-xNdxFeO3(x=0，0.1，0.15，0.2)粉体，然后采用无压烧结的方法制备BiFeO3-Bi1-xNdxFeO3复合陶瓷。研究了保护气氛、烧结温度及保温时间对复合陶瓷中致密度、相含量及相组成的影响。通过对复合陶瓷块体铁电、铁磁及介电性能的测试，分析了相含量的差异、烧结工艺对陶瓷性能的影响规律。
　　研究结果表明：低温长时间烧结与高温短时间烧结都无法使复合陶瓷完全致密化；高温长时间烧结(800℃保温2h)是 BiFeO3-Bi1-xNdxFeO3复合陶瓷结晶与达到较高致密化的最佳温度，致密度高达93％；温度过高会使陶瓷出现过烧、组织粗化与致密度下降等现象。
　　XRD分析结果表明，复合陶瓷主要由菱方相(R相)的BiFeO3和四方相(T相)的Bi1-xNdxFeO3组成。相含量计算表明 R相和T相相含量均介于45%~55%符合两相互转变区间。控制烧结气氛与稀土元素 Nd的掺杂含量能够抑制BiFeO3的分解，减少杂相生成，提高了陶瓷致密度。
　　采用扫描电子显微镜(SEM)与透射电子显微镜(TEM)观测表明，在800℃氧气保温2h下制备的陶瓷块体两相具有典型的R相和T相形貌，R相为规则的四方结构，T相为椭球形。在此烧结工艺下，复合陶瓷铁电性较高，当x=0.15时，剩余极化强度Pr=0.38μC/cm-2，矫顽场为Ec=6kv/cm。介电常数最高为25，介电损耗较小为0.25。随着稀土元素 Nd掺杂量的增多，介电常数增大，介电损耗低于纯R相。
　　氩气气氛能提高BiFeO3的剩余磁化强度，剩余磁化强度随Nd元素的掺杂含量的增加能增大，当x=0.2时剩余磁化强度最大，为Mr=0.06emu/g，矫顽场为Hc=250Oe。

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第1章 绪 论

1.1引言

1.2多铁性的几个相关概念

1.3单相多铁性材料BiFeO3

1.4准同型相界

1.5本文研究目的、意义及内容

第2章 粉体制备及分析测试方法

2.1实验原材料

2.2实验方案

2.3分析测试方法

第3章 BiFeO3-Bi1-xNdxFeO3陶瓷制备与组织结构

3.1 BiFeO3-Bi1-xNdxFeO3复合陶瓷制备

3.2 BiFeO3-Bi1-xNdxFeO3复合陶瓷组织结构

3.3本章小结

第4章 BiFeO3-Bi1-xNdxFeO3陶瓷的铁性性能

4.1铁电性能

4.2介电性能

4.3铁磁性能

4.4本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文及专利

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