BiScO改性高工作温度压电和介电陶瓷研究

摘要

近年来，随着电子元器件使用温度要求的提高，对高工作温度下介质材料的研究已成为国际关注的热点。由于现有的压电陶瓷体系居里温度低难以满足高温应用以及现有的多层陶瓷电容器瓷料使用温度有限，开发出具有高居里温度压电陶瓷和宽工作温度的介质陶瓷成为当前函待解决的问题。本文开展以BiScO3改性钙钛矿型陶瓷为对象，探索钙钛矿型高温压电陶瓷和高温稳定型介质陶瓷的结构与电学性能，寻找适合于高温压电器件和宽温多层陶瓷电容器要求的新型陶瓷材料。
　　 本文重点探索BiScO3改性压电陶瓷准同型相界附近组成的结构和性能，研究BiScO3对BaTiO3的掺杂改性使其介电峰展宽作用，具体的研究工作主要包括以下三个方面：
　　 (一)BiScO3改性钙钛矿陶瓷准同型相界附近组成、结构和高温压电性能
　　 根据准同型相界附近容限因子与PbTiO3含量的规律，归纳总结出二元Bi基和Pb基体系准同型相界范围的方程，并在Co掺杂BiScO3-PbTiO3(BS-PT)体系中得到应用。Co掺杂BS-PT陶瓷在准同型相界附近获得较高相转变温度Tm(～470℃)，但是其压电性能有显著降低；通过对该最佳性能组成点进行Nb掺杂改性，发现Nb的掺入导致施主掺杂，在0.5mol％的掺杂量时获得最佳铁电压电性能：d33=390pC/N，kp=0.52，Tm=451℃。
　　 分别引入第三组元Pb(Sc1/2Nb1/2)O3(PSN)和Pb(Zn1/3Nb2/3)O3(PZN)到BS-PT体系中，研究了三元体系在其准同型相界附近陶瓷组成的电学性能。在BS-PT-PSN体系中，PSN的加入使陶瓷的压电性能有显著降低，而且同样导致了体系的相转变温度Tm的显著降低；而在BS-PT-PZN体系中，当PZN掺入量为5mol％，在组成0.35BS-0.60PT-0.05PZN时获得最佳的铁电压电性能：d33=490pC/N，kp=0.57，Tm=417℃；在此基础上，用Mn掺杂对该组成进行改性研究，发现少量的Mn掺杂导致“变软”和“变硬”双重特性，提高了Tm、d33、Qm和电阻率，降低了介电损耗，获得了一种新型的高温压电陶瓷体系，其压电性能为：压电常数d33=560pC/N，平面机电耦合系数kp=0.59，机械品质因子Qm=130～460，电阻率为2.3×1011Ω·cm和高的相转变温度Tm=436℃。
　　 (二)BiScO3改性高温压电陶瓷的机制研究
　　 压电性能的温度稳定性是压电陶瓷器件的一个重要参数。本文从BiScO3改性陶瓷的相结构、电畴和电畴运动的角度来分析压电陶瓷的温度稳定性的内在机制，结果表明，压电陶瓷温度稳定性主要决定于90°电畴稳定性，不同相结构稳定性的差异是由其晶体内占主导的畴类型不同而导致的。
　　 (三)BiScO3在高工作温度介质陶瓷中的作用
　　 本文以BiScO3改性BaTiO3体系为基体，通过引入PbTiO3组元，获得了较宽的温度范围内容温特性很好的陶瓷体系0.80BT-0.10BS-0.10PT，其1kHz下介电常数在1600～2300之间，容温变化率在-30～180℃或更高保持在≤±15％范围内，室温电阻率ρv达到5.2×1012Ω·cm，具有良好的绝缘性能。

目录

文摘

英文文摘

声明

第1章 绪论

1.1高工作温度压电和介质陶瓷的应用与需求

1.2高温压电陶瓷的研究现状

1.3高温稳定型介质陶瓷的研究现状

1.4 BiScO3在高温陶瓷中的研究进展、作用及存在的问题

1.5本论文的主要内容和意义

第2章 高温压电和介电陶瓷的体系设计、制备和性能表征

2.1研究体系的选择

2.1.1高温压电陶瓷

2.1.2高温稳定型介质陶瓷

2.2研究方法

2.2.1准同型相界与容限因子

2.2.2掺杂改性研究

2.2.3铁电弛豫行为研究

2.2.4压电性能温度稳定性研究

2.3原材料及制备工艺

2.3.1原料

2.3.2陶瓷样品制备

2.4性能表征

2.4.1相结构分析

2.4.2扫描电子显微镜(SEM)

2.4.3阿基米德排水法

2.4.4样品的介电温度谱测试

2.4.5陶瓷样品的极化与压电性能测试

2.4.6铁电性能和电阻率测试

第3章 二元BiScO3改性高温压电陶瓷的相结构和电学性能

3.1组成选择及样品制备

3.2钴掺杂Bi(Sc,Co)O3-PbTiO3陶瓷结构和性能

3.2.1准同型相界范围预测

3.2.2钴掺杂陶瓷的微观形貌和相结构

3.2.3钴掺杂陶瓷样品的电学性能

3.2.4钴掺杂对相转变温度的影响

3.2.5钴掺杂对耐压性能的影响

3.3铌掺杂0.44Bi(Sc0.75Co0.25)O3-0.56PbTiO3陶瓷结构和性能

3.3.1实验过程

3.3.2铌掺杂陶瓷的相结构和显微形貌

3.3.3铌掺杂陶瓷的电学性能

3.4本章小结

第4章 三元BiScO3改性高温压电陶瓷的相结构和电学性能

4.1组成BS-PT-PSN陶瓷体系的结构和性能

4.1.1组成选择及样品制备

4.1.2微观形貌和相结构

4.1.3 BS-PT-PSN陶瓷的电学性能

4.2组成BS-PT-PZN陶瓷体系的结构和性能

4.2.1组成选择及样品制备

4.2.2微观形貌和相结构

4.2.3 BS-PT-PZN陶瓷的电学性能

4.3锰掺杂0.35BS-0.60PT-0.05PZN陶瓷结构和性能

4.3.1实验过程

4.3.2微观形貌和相结构

4.3.3锰掺杂陶瓷体系的电学性能

4.3.4锰掺杂对陶瓷电阻率的影响

4.4本章小结

第5章 BiScO3改性高温压电陶瓷的温度稳定性及其机理分析

5.1外场作用下电畴转向

5.2外场作用下结构相变依据

5.3热处理对四方相陶瓷结构与压电性能影响

5.3.1样品极化处理

5.3.2热处理对陶瓷结构和性能影响

5.3.3极化电场对陶瓷结构与性能影响

5.3.4极化与去极化机理探讨

5.4热处理对三方相陶瓷结构与压电性能影响

5.4.1极化电场对陶瓷结构与性能影响

5.4.2热处理对陶瓷结构和性能影响

5.5本章小结

第6章 BiScO3改性高温稳定型介质陶瓷结构与性能

6.1 BT-BS陶瓷的结构和电学性能

6.1.1实验过程

6.1.2 BT-BS陶瓷的相结构

6.1.3 BT-BS陶瓷的介电性能

6.1.4 BT-BS陶瓷的容温特性

6.2 BT-BS-PT陶瓷的结构和电学性能

6.2.1实验过程

6.2.2 BT-BS-PT陶瓷的相结构

6.2.3 BT-BS-PT陶瓷的电学性能

6.2.4 BT-BS-PT陶瓷的容温特性及电阻率

6.3本章小结

第7章 结论

参考文献

致谢

附录：攻读博士学位期间学术成果