钙钛矿铌铁酸盐-钛酸钡巨介电材料的制备及介电性能研究

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钙钛矿结构的分子通式为ABO3,因其拥有优异的介电性能,被广泛应用在传感器、电阻器,固体电介质等诸多领域。具有钙钛矿结构的Fe基复合陶瓷成为时下研究的热门。本文利用BaTiO3掺入A(Fe0.5Nb0.5)O3(A=Ca、Sr、Zn)形成固溶体,试图通过掺杂改性来获得介电常数大、介电损耗小,同时温度稳定性和频率稳定性好的陶瓷材料。  本文采用固相烧结技术制备出了Sr(Fe0.5Nb0.5)O3陶瓷和Ca(Fe0.5Nb0.5)O3陶瓷,以及三种(1-x)Sr(Fe0.5Nb0.5)O3-xBaTiO3、(1-x)Ca(Fe0.5Nb0.5)O3-xBaTiO3、(1-x)Zn(Fe0.5Nb0.5)O3-xBaTiO3无铅陶瓷体系。XRD结果表明所有陶瓷均为钙钛矿结构,采用扫描电镜观察了陶瓷的微观结构,探讨微观形貌对陶瓷介电性能的影响,采用介电温谱、等温介电频谱和阻抗谱等分析了陶瓷样品的电学性能和界面特征,研究材料的介电性能和介电弛豫的导电机制。  主要研究成果如下:  (1)制备了Sr(Fe0.5Nb0.5)O3陶瓷以及Ca(Fe0.5Nb0.5)O3陶瓷,通过分析阻抗谱,这两种陶瓷的直流电导激活能主要是由氧空位的二次电离引起的。  (2)制备了(1-x)Sr(Fe0.5Nb0.5)O3-xBaTiO3(x=0.1,0.2,0.3,0.4)[简写为(1-x)SFN-xBT]陶瓷,在常温到100℃范围内,其介电常数都大于其他Fe基复合钙铁矿陶瓷,且介电损耗较低,其巨介电常数主要起源于晶界层电容器效应,介电行为可以用Maxwell-Wagner极化机制来解释。  (3)制备了(1-x)Ca(Fe0.5Nb0.5)O3-xBaTiO3(x=0.3,0.4,0.5)[简写为(1-x)CFN-xBT]陶瓷,在温度550K附近,0.6CFN-0.4BT陶瓷样品的介电常数较高(1kHz的εr~1.9×104,10kHz的εr~1.3×104),高温时陶瓷中的直流电导主要是由双电离的氧空位的迁移而引起。  (4)制备了(1-x)Zn(Fe0.5Nb0.5)O3-xBaTiO3(x=0.1,0.2,0.3,0.4)[简写为(1-x)ZFN-xBT]系列陶瓷,介电性能较为一般,高温下的介电弛豫主要是由于双电离的氧空位引起的。  (5)对比研究表明,0.6Sr(Fe0.5Nb0.5)O3-0.4BaTiO3陶瓷与0.6Ca(Fe0.5Nb0.5)O3-0.4BaTiO3陶瓷介电性能较好。最后用Sr(Fe0.5Nb0.5)O3陶瓷以及Ca(Fe0.5Nb0.5)O3陶瓷与其做介电性能对比。实验结果表明通过掺杂BaTiO3,确实提高了Fe基复合钙铁矿陶瓷的介电性能。
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