柠檬酸盐法制备Ba0.95Ca0.05Zr0.3Ti0.7O3基陶瓷的介电性能研究

摘要

钛酸钡(BaTiO3)基陶瓷具有高的介电常数、低的介电损耗和优良的绝缘特性，在储能电介质方面具有良好的应用前景。本论文采用柠檬酸盐法合成Ba0.95Ca0.05Zr0.3Ti0.7O3(简称BCZT)粉体和7 wt.％CaO-5wt.％MgO-26 wt.％Al2O3-62 wt.％SiO2(简称CMAS)玻璃粉体。考察BCZT陶瓷样品的烧结性能、结构和介电性能，研究BCZT陶瓷样品在外加偏置电场下的介电响应行为及其内部极化机制。按照BCZT+x wt.％CMAS(x=3-8)的名义组成制备复合体系陶瓷样品，研究CMAS含量对复合体系陶瓷样品的烧结性能、结构和介电特性的影响，考察陶瓷样品的储能特性。
　　 采用柠檬酸盐法，在650℃的热处理温度下分别制备出了具有单一钙钛矿结构的BCZT粉体和非晶态的CMAS粉体。合成粉体的颗粒均匀细小，其平均颗粒粒度均为～60nm。
　　 研究了烧结温度对BCZT陶瓷样品的结构和介电性能的影响。研究结果表明，采用柠檬酸盐法合成的BCZT超微细粉体具有高的烧结活性，可以有效地降低BCZT陶瓷的烧结温度，在1280℃的烧结温度下BCZT陶瓷样品的相对密度达到95％。结构测试结果表明，BCZT陶瓷样品为立方钙钛矿结构，具有细晶(～890 nm)显微结构。介电性能研究结果表明，BCZT陶瓷具有显著的铁电弛豫特性和强的介电非线性。在室温下处于顺电相的BCZT陶瓷样品中存在纳米极性微区(PNRs)，通过对偏置电场下的介电常数按多重极化机制模型进行拟合，确定了BCZT陶瓷样品中PNRs的特性参数：PNRs的尺寸为～6 nm，极化强度为～0.7μC/cm2。PNRs在外加偏置电场下的极化响应行为对BCZT陶瓷样品的介电非线性具有重要贡献，PNRs的尺寸较小是BCZT陶瓷样品具有铁电弛豫特性的重要原因。
　　 研究了CMAS对复合体系陶瓷样品烧结性能、结构和介电性能的影响。CMAS的加入提高了陶瓷样品的烧结性能，在1140℃的烧结温度下，各复合体系陶瓷样品的相对密度均达到95％以上，晶粒粒径明显细化(170-230 nm)。各复合体系陶瓷样品均呈现出明显的铁电弛豫特性。CMAS的加入降低了复合体系陶瓷样品的介电非线性和储能密度，减弱了复合体系陶瓷样品的介电性能对偏置电场场历史的依赖性，提高了复合体系陶瓷样品在高外加电场下的电绝缘特性和储能效率。在130-150 kV/cm的外加电场下，复合体系陶瓷样品的储能密度达到0.30-0.53 J/cm3，储能效率达到76.1％-84.1％。