钛酸锶钡/铌铋锌介质陶瓷的制备及介电性能研究

摘要

本文进行了BST基介质陶瓷的制备和介电性能的研究。旨在研制一种具有压控特性的微波铁电陶瓷材料，通过BZN体系的添加和Mn元素的掺杂，改善材料性能。 采用传统电子陶瓷工艺制备了BZN陶瓷[yBi2O3-ZnO-Nb2O5(y=1.0)]，物相分析表明，其物相为符合反应物化学计量比的α-立方焦绿石结构的Bi1.5Zn0.76Nb1.5O6.8，可实现880℃烧结。居里温度为+10℃，测试频率为1MHz时介电常数可达180，介电损耗为0.9×10-3。BZN体系显示出的介电常数随温度变化的特性，主要是来源于Bi1.5Zn0.76Nb1.5O6.8微观结构中的极化位移。 作为BST/BZN陶瓷掺杂物的BZN体系可低温烧结，介电损耗很低，几乎无偏场可调性。随铋含量增加，BZN的致密烧结温度降低，BZN的居里峰向正温度方向大幅度移动，且介电常数提高。这是由于物相Bi1.5Zn0.76Nb1.5O6.8量随铋含量的增加而增加，介电常数很低的ZnNb2O6. Bi2O3的量相应减少。 实验制备出适合低温烧结的BST/BZN材料组成体系。生成物相为立方相Ba0.6Sr0.4TiO3和四方相Ba0.5Sr0.5Nb2O6。微观形貌中，立方相Ba0.6Sr0.4TiO3以椭球形晶粒形式存在，四方相Ba0.5Sr0.5Nb2O6以针棒状晶形式存在。BST/BZN介质陶瓷的居里温度在-25℃，-40℃到-10℃之间居里峰产生展宽效应。1MHz测试频率下，BST/BZN介质陶瓷的介电损耗为8.84×10-3，介电常数为825。 偏场可调性Tunability(0.73kV/mm)=1.17％。烧结温度提升到1180℃后，介电损耗变小，偏场可调性Tunability(0.86kV/mm)=1.24％。减少BZN掺杂量后，BST/BZN介质陶瓷的物相为Ba0.6Sr0.4TiO3单相，材料的居里温度在-40℃以下，与BZN掺杂量较多时相比，居里温度降低。 1MHz测试频率下，样品介电损耗增加，tanδ=15.23×10-3，偏场可调性Tunability(0.93 kV/mm)=1.25％。这是由于样品物相中，存在着一定数量的ZnNb2O6和Bi2O3，导致样品介电损耗增加。 研究结果显示，适量Mn离子的掺杂可以降低BST材料的损耗，减小介电常数。 材料的居里温度可以通过改变配方组成进行调节，当居里温度为0℃时，可调性Tunability(1.2kV/mm)=27％，损耗值为3×10-3，而调节居里温度至-13℃时Tunability(1.2kV/mm)=12％，损耗值为2.5×10-3。材料的居里温度和介电性能与材料的铁电相含量有关，其介电常数可调性和介电损耗均随铁电相含量增大而增大。

目录

文摘

英文文摘

前言

声明

第一章文献综述

1.1 BST系统概述

1.1.1 BST系统的微观结构与介电性能

1.1.2 BST的晶粒尺寸效应

1.1.3制备工艺对BST介电性能的影响

1.1.4 BST系统的电场特性与频率特性

1.1.5 BST在移相器中的应用

1.1.6顺电相状态下钙钛矿型介质偏场可调机理

1.2 BZN系统概述

1.2.1 BZN中焦绿石的相结构

1.2.2 BZN系统的介电频率特性

1.2.3 BZN系统介电常数的温度特性

1.3 BST系统的掺杂改性

1.3.1复合模式

1.3.2 Al2O3、ZrO2、MgO和Bi2O3等的掺杂对BST系统的改性作用

1.3.3稀土元素掺杂的改性作用

1.3.4 Mn离子掺杂的改性作用

1.4问题的提出与设想

1.4.1问题的提出

1.4.2实验设想

第二章实验过程与测试

2.1原料

2.2工艺流程

2.3显微结构分析

2.4数据处理及公式

2.5性能测试

第三章BST/BZN介质陶瓷性能的研究

3.1 BZN系统的组成、结构与性能的研究

3.1.1相组成和显微结构对BZN陶瓷温度特性的影响

3.1.2 BZN陶瓷介电常数频率特性和介电损耗

3.2 BST/BZN的组成、结构与性能的研究

3.2.1相组成和显微结构对BST/BZN陶瓷温度特性的影响

3.2.2 BST/BZN陶瓷介电常数频率特性和介电损耗

3.2.3 BST/BZN样品介电常数偏置直流电场可调性的研究

第四章Mn离子掺杂对BST材料介电性能的影响

4.1 Mn离子掺杂对BST材料介电常数-温度特性的影响

4.2 Mn离子掺杂对BST材料介电常数与损耗的影响

4.3不同Mn离子掺入方式对介电常数与损耗的影响

4.4 Mn离子掺杂BST材料介电常数偏场可调性的影响

第五章结论

参考文献

致 谢