多铁性BaTiO3-BaFe12O19基复合陶瓷的磁电性能研究

摘要

复合多铁性材料一般是把两种材料（铁电材料和铁磁材料）复合在一起，通过应变实现磁和电的耦合。在0-3型结构的铁电/铁磁复合体系中，由于铁磁相有相对较低的电阻率，在外加电场作用下，容易在界面处聚集大量电荷，并且会沿铁磁体形成的导电通路，产生漏导，使多铁性材料的介电、铁电性能恶化。如何提高铁磁相含量而不显著降低铁电性或者失去铁电性，成为阻碍多铁性磁电复合材料发展的瓶颈问题。为解决这一问题，本文通过微波水热法和微波烧结法制备 BaTiO3-BaFe12O19体系0-3型结构多铁性复合陶瓷，探讨导致M型BaFe12O19铁氧体电阻率较低的原因，并通过在BaFe12O19铁磁相中A位和B位掺杂离子，以及调整铁电相和铁磁相两相复合比例，获得优良磁电性能的多铁性复合陶瓷。
　　本研究主要内容包括：⑴通过把BaFe12O19相与Bi2Fe4O9相复合，改善多铁性Bi2Fe4O9相的铁磁性能，制备Bi2Fe4O9-BaFe12O19体系复合陶瓷，并探讨电阻率对多铁性复合陶瓷磁电性能的影响。介电和阻抗测试结果表明，复合陶瓷的晶粒和晶界的导电机制分别来源于一价氧空位Vo和二价氧空位Vo的电离。磁滞回线测试结果表明，不同组分复合陶瓷的矩形度Mr/Ms都大于0.5。由于两相晶粒间强烈磁交换作用，复合陶瓷的矩形度大于纯相BaFe12O19的四方率，在磁记录等材料中具有很好的应用前景。⑵通过在BaFe12O19相A位掺杂Sr2+，制备BaTiO3-Ba1-xSrxFe12O19体系复合陶瓷。结果表明，通过掺杂Sr2+可以有效提高复合陶瓷的电阻率，最佳为x=0.6。介电损耗的两个弛豫峰，分别来源于类徳拜型弛豫和电子在Fe2+/Fe3+之间跳跃。激活能计算结果表明，电子在Fe2+和Fe3+之间的跳跃是一种直接跳跃行为。当x=0.6时，电滞回线的饱和极化强度达到最大值。所有组分的磁滞回线呈现一种“束腰状”回线。一方面，是由于Ba1-xSrxFe12O19相晶粒尺寸都大于单畴临界尺寸，由此产生更大的矫顽场。当Sr2+掺杂后，增强这一效应；另一方面，在外加磁场的作用下，非磁性相 BaTiO3晶粒的存在抑制磁畴的转动和畴壁的移动，破坏磁通路。⑶通过在BaFe12O19相B位掺杂Mn2+，制备BaTiO3-BaFe12-xMnxO19复合陶瓷。结果表明，通过掺杂Mn2+，可以有效控制产生电导的Verwey Hopping Mechanism机制，降低 Fe3+变价产生的 Fe2+含量，电阻率提高两个数量级。当x=0.6时，电滞回线的饱和极化强度达到最大值。磁滞回线测试结果表明，所有的磁滞回线呈现典型的铁磁行为。通过掺杂 Mn2+后，多铁性复合陶瓷在保持优良铁磁性的同时，其电阻率得到提高，测得饱和的电滞回线。⑷通过调整铁电/铁磁两相比例，优化多铁性复合陶瓷的磁电性能，制备(1-x)BaTiO3-xBaFe12O19复合陶瓷。随着BaFe12O19相含量的降低，复合陶瓷的电导率急剧下降，降低3个数量级。一方面，是由于对复合陶瓷整体电导率大小起决定作用的BaFe12O19相（低电阻率相）含量降低；另一方面，是由于BaFe12O19相（低电阻率相）连接形成导电通路（“岛链”）的概率逐渐降低，被 BaTiO3相（高电阻率相）完全包围的概率增加，形成“岛”状结构，整体提高复合陶瓷电阻率。电滞回线测试结果表明，随着BaFe12O19相逐渐降低，漏导电流也逐渐减小，损耗降低，电滞回线逐渐由“胖”变“瘦”，趋于饱和，击穿场强逐渐增大。对于x=0.01样品，在7.5 kV/mm的场强下，饱和极化强度达到40μC/cm2。

目录

1 绪论

1.1 多铁性材料

1.2 单相多铁性材料

1.3 复合多铁性材料

1.4 本论文的研究内容

2 实验部分

2.1 实验所用试剂

2.2 实验所用仪器设备

2.3 实验方案设计

2.4 实验研究路线

2.5 表征与性能测试

3 Bi2Fe4O9/BaFe12O19复合陶瓷的磁电性能研究

3.1 复合陶瓷的物相确定

3.2 不同物相比例对微观形貌的影响

3.3 BaFe12O19相对复合陶瓷的介电性能影响

3.4 复合陶瓷的阻抗及电模量分析

3.5 电场强度及频率对铁电性能的影响

3.6 BaFe12O19相对复合陶瓷的铁磁性能影响

3.7 本章小结

4 BaTiO3/Ba1-xSrxFe12O19复合陶瓷的磁电性能研究

4.1 BaTiO3/Ba(1-x)SrxFe12O19复合陶瓷的物相表征

4.2 BaTiO3/Ba1-xSrxFe12O19复合陶瓷的微观形貌

4.3 Sr2+掺杂对复合陶瓷电导率的影响

4.4 BaTiO3/Ba(1-x)SrxFe12O19复合陶瓷的介电性能及激活能计算

4.5 Sr2+掺杂对复合陶瓷铁电性能的影响

4.6 复合陶瓷束腰状磁滞回线的来源

4.7 本章小结

5 BaTiO3/BaFe12-xMnxO19复合陶瓷的磁电性能研究

5.1 BaTiO3/BaFe12-xMnxO19复合陶瓷的物相表征

5.2 BaTiO3/BaFe12-xMnxO19复合陶瓷的微观形貌

5.3 Mn2+掺杂对复合陶瓷电阻率的影响

5.4 BaTiO3/BaFe12-xMnxO19复合陶瓷的介电性能

5.5 掺杂Mn2+对复合陶瓷铁电性能的影响

5.6 BaTiO3/BaFe12-xMnxO19复合陶瓷的铁磁性能

5.7 本章小结

6 BaTiO3/BaFe12O19复合陶瓷的磁电性能研究

6.1 复合陶瓷的物相表征及形貌分析

6.2 两相含量变化对复合陶瓷电阻率的影响

6.3 BaTiO3/BaFe12O19复合陶瓷的介电性能

6.4 BaTiO3/BaFe12O19复合陶瓷的铁电性能

6.5 BaTiO3/BaFe12O19复合陶瓷的铁磁性能

6.6 本章小结

7 结论及展望

7.1 结论

7.2 展望

致谢

参考文献

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