阳离子空位电荷补偿型稀土掺杂SrTiO3陶瓷的介电性能研究

摘要

钛酸锶(SrTiO3, ST)陶瓷是一种重要的功能电介质材料，被广泛应用于电子陶瓷工业领域。由于其具有兼顾较高相对介电常数(εr~300)、较高耐电压强度(Eb~10 kV/mm)和低介电损耗(tanδ～10-3)的特点，被认为是极具潜力的固态储能陶瓷候选体系之一。本文以SrTiO3陶瓷为研究对象，采用固相反应方法，制备了阳离子空位电荷补偿型稀土掺杂 SrTiO3的三个系列陶瓷，即 DyxSr1-1.5xTiO3(简称 Dy-ST)、Re0.02Sr0.97TiO3(Re=La, Sm, Er；简称Re-ST)和Re0.02Sr0.98Ti0.995O3(Re=La, Sm, Er；简称Re-STO)，研究了各系列陶瓷的相结构、微观结构和介电性能。
　　首先，采用稀土Dy对SrTiO3进行掺杂，预先引入A位Sr离子空位进行电荷补偿，确定其化学式为DyxSr1-1.5xTiO3(简称Dy-ST)。研究了不同Dy掺杂含量对陶瓷的相结构、微观结构和介电性能影响规律。结果表明：在0≤x≤0.04范围内，Dy-ST陶瓷均为纯立方钙钛矿结构，证实了预先引入Sr离子空位进行电荷补偿的可行性。Dy-ST陶瓷中的晶粒较纯的SrTiO3陶瓷分布更加均匀细小，说明Dy掺杂起到了晶粒生长抑制的效果。在组成x=0.02时，陶瓷具有最优的介电性能：介电常数εr=3200，介电损耗tanδ=0.026，耐电压强度Eb=16.5kV/mm。同时，εr随外加偏压变化呈现非常稳定的特征，说明该陶瓷具有很好的线性特征。对比不同测试频率下的介电-温度谱线分析可知，缺陷偶极子的存在是引起相对介电常数增加的主要根源。
　　其次，以上述A位离子空位补偿型Dy-ST陶瓷的最优配方(即Dy0.02Sr0.97TiO3)为基础，采用其它三种稀土离子掺杂制备了 Re0.02Sr0.97TiO3(Re=La, Sm, Er；简称Re-ST)陶瓷，研究了不同稀土离子种类对陶瓷结构和介电性能的影响规律。结果表明：Re-ST陶瓷同样为纯立方钙钛矿结构，进一步验证了通过预先引入Sr离子空位进行电荷补偿的可行性。扫描电镜(SEM)分析发现，Re-ST陶瓷的晶粒尺寸小且分布比较均匀，但不同稀土离子对陶瓷的晶粒抑制效果不尽相同，这可能和不同稀土离子的特性差异有关。Re-ST陶瓷的相对介电常数均有明显增加，其中，La-ST陶瓷的εr=3000，Sm-ST陶瓷的εr=2850，Er-ST陶瓷的εr=4530。各陶瓷的介电损耗均在0.03以下，耐电压强度Eb均大于14 kV/mm，加上良好的偏压特性，说明Re-ST陶瓷可作为高压储能陶瓷电容器应用。
　　最后，在以上研究的基础上，通过预先引入另外一种可能存在的阳离子空位电荷补偿方式，即Ti离子空位补偿方式制备了Re0.02Sr0.98Ti0.995O3(Re=La, Sm, Er；简称Re-STO)陶瓷，研究了在预先引入Ti离子空位进行电荷补偿前提下不同稀土离子掺杂对陶瓷结构和介电性能的影响规律。结果表明：Re-STO陶瓷也具有纯立方钙钛矿结构，同样验证了预先引入B位Ti离子空位进行电荷补偿的可行性。SEM分析发现La-STO陶瓷的晶粒尺寸在10μm左右， Sm-STO和Er-STO陶瓷的晶粒尺寸则在5μm以下。由于陶瓷的晶粒尺寸分布比较均匀，Re-STO陶瓷的耐电压强度都有不同程度的提高，其Eb均大于13 kV/mm。有趣的是，在Ti离子空位电荷补偿机制下制备的Re-STO陶瓷的相对介电常数同样具有显著的增加，其中 La-STO陶瓷的εr=3800，Sm-STO陶瓷的εr=2520，Er-STO陶瓷的εr=3710。同时，Re-STO陶瓷的介电常数具有良好的偏压特性，且介电损耗均小于0.05，说明该陶瓷体系同样可以作为高压储能陶瓷电容器的应用。

目录

声明

第一章 文献综述

引言

1.1 电介质的基础理论

1.2 电介质陶瓷储能的基本原理

1.3 固态储能介质陶瓷的主要研究体系

1.4 本研究的体系选择与研究内容

第二章 实验部分

2.1 实验原料：

2.2 实验仪器与设备

2.3 测试与表征

2.4 实验工艺流程

第三章 DyxSr1-1.5xTiO3陶瓷的结构与介电性能

3.1 Dy-ST陶瓷的制备

3.2 Dy-ST陶瓷的体积密度

3.3 Dy-ST陶瓷的晶体结构分析

3.4 Dy-ST陶瓷的微观形貌分析

3.5 Dy-ST陶瓷的介电性能分析

3.6 Dy-ST陶瓷的储能特性分析

3.7 小 结

第四章 Re0.02Sr0.97TiO3 (Re=La, Sm, Er)陶瓷的结构与介电性能

4.1 Re-ST陶瓷样品的烧结性能分析

4.2 Re-ST陶瓷样品的晶体结构分析

4.3 Re-ST陶瓷的微观形貌分析

4.4 Re-ST陶瓷的介电性能分析

4.5 Re-ST陶瓷的储能特性分析

4.6 小 结

第五章 Re0.02Sr0.98Ti0.995O3 (Re=La, Sm, Er)陶瓷的结构与介电性能

5.1 Re-STO陶瓷样品的烧结性能分析

5.2 Re-STO陶瓷的微观形貌分析

5.3 Re-STO陶瓷样品的晶体结构分析

5.4 Re-STO陶瓷的介电性能分析

5.5 Re-STO陶瓷的储能特性分析

5.6 小 结

第六章 结论与展望

6.1 结 论

6.2 展 望

致谢

参考文献

附：攻读硕士学位期间发表的论文和获得的奖项