Ba(Ti0.96Sn0.04)O3陶瓷的物性研究

采用传统固相反应法制备了Ba(Ti_0.96Sn_0.04)O₃无铅压电陶瓷, 对其压电性能、介电性能、铁电性能和微观结构等进行了研究。研究发现, 原料以及制备工艺对Ba(Ti_0.96Sn_0.04)O₃陶瓷的压电性质具有较大的影响。与BaTiO₃陶瓷相比, Ba(Ti_0.96Sn_0.04)O₃陶瓷的正交-四方相变温度T_O-T得到了一定的提高, 并且T_O-T附近的热滞只有1.8℃。陶瓷的微观形貌呈现出较为复杂的畴结构, 主要以90°平行带状畴为主, 偶尔有少量不同构型的180°畴。电滞回线呈现为理想的近似矩形饱和形状的曲线, 剩余极化强度P_r为18.9 μC/cm², 矫顽场E_c为 2.5 kV/cm。此外, 非180°畴的翻转是引起陶瓷逆压电常数d₃₃^*的主要因素, 其值可达550 pm/V。     

硅片上集成高介电调谐率的柱状纳米晶BaTiO3铁电薄膜

钛酸钡(BaTiO₃)具有优异的介电、铁电、压电和热释电等性能, 在微电子机械系统和集成电路领域具有广泛的应用。降低BaTiO₃薄膜的制备温度使其与现有的CMOS-Si工艺兼容, 已成为应用研究和技术开发中亟需解决的问题。本研究引入与BaTiO₃晶格常数相匹配的LaNiO₃作为缓冲层, 以调控其薄膜结晶取向, 在单晶Si(100)基底上450 ℃溅射制备了结构致密的柱状纳米晶BaTiO₃薄膜。研究表明：450 ℃溅射温度在保持连续柱状晶结构和(001)择优取向的前提下, 能获得相对较大的柱状晶粒(平均晶粒直径27 nm), 一定残余应变也有助于其获得了较好的铁电和介电性能。剩余极化强度和最大极化强度分别达到了7和43 μC·cm^-2。该薄膜具有良好的绝缘性, 在 0.8 MV·cm^-1电场下, 漏电流密度仅为10^-5 A·cm^-2。其相对介电常数ε_r展现了优异的频率稳定性：在1 kHz时ε_r为155, 当测试频率升至1 MHz, ε_r仅轻微降低至145。薄膜的介电损耗较小, 约为0.01~0.03 (1 kHz ~ 1 MHz)。通过电容-电压测试, 该薄膜材料展示出高达51%的介电调谐率, 品质因子亦达到17(@1 MHz)。本研究所获得的BaTiO₃薄膜在介电调谐器件中有着良好的应用前景。     

BaTiO3陶瓷的低温冷烧结制备及性能研究

近年来, 冷烧结低温制备陶瓷引起了很大关注, 并在BaTiO₃陶瓷的制备上取得了一定进展。为了提高冷烧结BaTiO₃陶瓷性能, 本研究采用水热法制备了分散性好、粒径为100 nm的四方相(晶格参数c/a为1.0085) BaTiO₃粉末。采用0.1 mol/L的乙酸在100 ℃/1 h的条件下对粉末进行水热活化处理。以质量分数10% Ba(OH)₂·8H₂O为熔剂, 在350 MPa、400 ℃/1 h的条件下对粉体进行冷烧结, 最后经600 ℃/0.5 h退火获得了相对密度为96.62%、晶粒尺寸为180 nm, 常温介电(ε_r)为2836, 介电损耗(tanδ)低至0.03的BaTiO₃陶瓷。乙酸处理后高活性粉末表面形成的非晶钛层有效促进了陶瓷的致密化, 抑制了杂相的生成和晶粒长大, 提高了介电性能, 大幅改善了冷烧结BaTiO₃陶瓷出现的介电弥散现象, 从而实现了BaTiO₃陶瓷的低温冷烧结制备。     

自组装烧结法可控合成钛酸钡微纳米陶瓷的效果和适用范围研究

微纳米钛酸钡陶瓷(BaTiO₃)是多层陶瓷电容器(Multilayer ceramic capacitors, MLCCs)的关键材料,其可控合成受到研究者的广泛关注。本工作采用自组装烧结法制备了具有不同晶粒尺寸的微纳米BaTiO₃陶瓷,从样品的相对密度、晶粒尺寸和介电性能研究了该方法在可控合成微纳米BaTiO₃陶瓷时的效果和适用范围。结果表明,采用二元粒径自组装烧结法,通过合理选择BaTiO₃粉体尺寸和组合方式,实现了可控合成不同晶粒尺寸的陶瓷;采用三元和四元粒径自组装烧结法,虽然提高了陶瓷的相对密度,但是降低了晶粒尺寸的可控性。因此,采用二元粒径自组装烧结法有利于可控合成微纳米BaTiO₃陶瓷。     

固相法制备钇掺杂的钛酸钡锶钙陶瓷的介电和热释电性能

采用固相反应法制备了Y掺杂 (Ba_0.6Sr_0.3Ca_0.1)_1-xY_xTi_0.999Mn_0.001O₃ (0≤x≤0.007)陶瓷, 重点研究了Y含量对BSCT基陶瓷的显微结构、介电性能和热释电性能的影响。结果表明: 随着Y含量的增加, BSCY_xTM陶瓷的平均晶粒尺寸逐渐减小, 介电常数、介电损耗、居里温度和热释电系数均呈现先增加后减小的趋势。当Y掺杂量为0.7mol%时, BSCY_xTM陶瓷的平均晶粒尺寸最小为3.1 μm, 且探测优值F_d较大, 最大值可达8.22×10^-5 Pa^-1/2(700 V/mm, 30℃), 高于采用溶胶-凝胶法制备的同组分陶瓷的探测优值5.91×10^-5 Pa^-1/2。     

制备工艺对(Ba0.85Ca0.15)(Ti0.9Zr0.1)O3无铅压电陶瓷结构与性能的影响

采用液相混合与固相烧结相结合的方法制备了(Ba_0.85Ca_0.15)(Ti_0.9Zr_0.1)O₃ (BCTZ) 无铅压电陶瓷, 系统研究了烧结保温时间对其相结构、介电、压电和铁电性能的影响以及电学性能随温度的变化。研究结果表明: 制备的陶瓷样品具有单一的四方钙钛矿结构。当烧结温度为1540℃时, 随着保温时间的延长, 样品晶粒尺寸变大, 居里温度(T_c)升高, 压电性能提高, 电致伸缩性能下降。当保温时间为24 h时, BCTZ陶瓷综合性能最为优异: T_c ~90℃, tanδ < 0.05, k_p ~ 0.46, d₃₃ ~ 540 pC/N, P_s ~17 μC/cm²。陶瓷电学性能随温度变化测试结果又表明, BCTZ陶瓷的电学性能具有很强的温度依赖性, 随着温度的升高其电学性能逐渐下降。     

原料预处理对BaTiO3压电陶瓷的物性影响

BaCO₃微粉原料通常由尺寸较大的棒状颗粒所组成, 这些棒状颗粒在一次球磨过程中由于不容易粉碎, 从而对经预烧、二次球磨所得到的BaTiO₃陶瓷微粉的化学组分的均匀性和颗粒度产生影响, 进而影响后序烧结制备的BaTiO₃陶瓷的微观组织结构和压电性能。本研究重点探讨了以BaCO₃和TiO₂为原料、通过固相反应途径制备BaTiO₃陶瓷时, 实施原料预处理对所制备的BaTiO₃压电陶瓷物性的影响。研究发现, 配料前对BaCO₃原料实施球磨预处理可明显地降低棒状颗粒的尺寸, 从而可获得颗粒度细化的BaTiO₃陶瓷微粉, 进而制备致密度更高和晶粒尺寸更小而压电性能更高的BaTiO₃陶瓷材料。研究中对BaCO₃微粉进行不同时间的球磨预处理, 然后制备钛酸钡陶瓷, 考察了其压电性能、介电性质、铁电性能和微观结构等物理性质。利用同样的BaCO₃微粉原料, 未经球磨预处理所制备的BaTiO₃陶瓷的压电系数d₃₃最高值为410 pC/N, 而实施合适的球磨预处理制备的BaTiO₃陶瓷的压电系数d₃₃最高值可达470 pC/N。     

Ba1-xMgxAl2Si2O8晶体结构与微波介电性能的研究

采用固相烧结法, 按化学计量比Ba_1-xMg_xAl₂Si₂O₈(x=0, 0.05, 0.1, 0.15, 0.3, 0.5)制备样品, 考察不同MgO含量对BaO-Al₂O₃-SiO₂系介电材料晶体结构及微波介电性能的影响。结果表明, MgO可以降低烧结温度, 促进六方相转变为单斜相, 当添加量x≥0.15时, 相转变可以达到100%。当x≤0.15时, 适量的MgO可以有效地促进单斜钡长石晶粒的长大。在0.05≤x≤0.1范围内, 随着MgO含量的增加, 单斜钡长石衍射峰增强, 晶粒尺寸增大, 密度、介电常数与τ_f均随MgO含量的增加而增大。在x=0.1, 烧结温度为1400℃时, 可获得综合性能相对较好的单斜钡长石, 其介电性能ε_r=6.44, Q×f=16461 GHz, τ_f= -30.6×10^-6 K^-1。     

高居里温度BaTiO3-(Bi0.5Na0.5)TiO3无铅正温度系数电阻陶瓷的制备

用传统的固相反应烧结法制备了(1-xmol%)BaTiO₃-xmol%(Bi_0.5Na_0.5)TiO₃(BBNTx)高温无铅正温度系数电阻( positive temperature coefficient of resistivity, PTCR)陶瓷。X射线衍射表明所有的BBNTx陶瓷形成了单一的四方钙钛矿结构。SEM分析结果显示随着BNT含量的增加, 陶瓷晶粒尺寸减小。空气中烧结的0.2mol% Nb掺杂的BBNT1陶瓷, 室温电阻率为~10² Ω·cm, 电阻突跳为~4.5个数量级, 居里温度为~150℃。氮气中烧结的0.3mol% Nb掺杂的BBNTx(10≤x≤60)陶瓷, 同样具有明显的PTCR效应, 居里温度在180~235℃之间。随着BNT含量的增加, 材料的室温电阻率增大, 同时陶瓷的电阻突跳比下降。     

纳米铌酸钾钠陶瓷的制备及性能

以新型溶胶-凝胶法制备的平均晶粒尺寸为30 nm的铌酸钾钠粉体为原料, 采用放电等离子体烧结工艺, 在烧结温度为900℃, 压力30 MPa, 烧结时间1 min的条件下, 制备得到纯正交相, 相对密度高达99%以上, 平均晶粒尺寸为40 nm的纳米铌酸钾钠陶瓷, 并对该陶瓷的相结构、微观形貌、介电性能和铁电性能进行了研究。结果表明, 与普通微米晶陶瓷不同, 纳米铌酸钾钠陶瓷的室温介电常数仅为341, 并且随温度变化不明显, 表现出明显的介电弛豫现象, 弥散因子γ为1.60, 并具有明显的电滞回线, 矫顽场强度为13.5 kV/cm, 剩余极化为1.5 μC/cm²。尺寸降低所引起的纳米铌酸钾钠陶瓷中晶界相所占的比例增大是其性能变化的主要原因, 并且可以推断, 如果铌酸钾钠陶瓷具有“临界尺寸”, 那么其值应该在40 nm以下。     

A位Sm掺杂对0.93Na0.5Bi0.5TiO3-0.07BaTiO3陶瓷微结构及电学性能的影响

采用固相反应烧结方法制备了Sm掺杂的[(Na_0.5Bi_0.5)_0.93Ba_0.07]_1-xSm_xTiO₃(BNBST)无铅介电储能陶瓷, 系统研究了Sm掺杂含量对BNBST陶瓷的相结构、微观结构、铁电、介电、储能和交、直流电导的影响。研究结果表明: 制备的陶瓷样品具有单一的钙钛矿结构, Sm掺杂固溶于(Na_0.5Bi_0.5)_0.93Ba_0.07TiO₃基材的晶格A位; 晶粒生长被Sm掺杂抑制, 平均晶粒尺寸在2 μm内, 且均匀致密; Sm掺杂显著降低了剩余极化和矫顽场, 表现出双电滞回线特性, 但饱和极化也略有降低; 储能密度和效率随Sm掺杂量增加先增大后减小, 在x=0.02和电场为70 kV/cm时获得最大储能密度0.70 J/cm³, 其效率为40%; BNBST陶瓷具有明显的弛豫铁电体特征, 其介电常数峰T_m随掺杂量增加而降低且平坦化; BNBST陶瓷的绝缘性有较强的温度依赖性, 300℃以下具有良好的绝缘性。     

多晶铈掺杂硅酸镥闪烁陶瓷的制备和发光性能

本工作对铈离子掺杂多晶硅酸镥(LSO:Ce)闪烁材料的制备方法进行了系统研究。将LSO:Ce前驱体溶胶喷雾干燥后得到了球形LSO:Ce前驱粉体, 该前驱粉体在1000℃和1100℃的温度下煅烧后分别得到了不同晶型的的单相LSO : Ce球形粉体。显微结构观察显示: 粉体颗粒的平均直径约为2 µm, 是由几十纳米大小的LSO:Ce纳米晶粒堆积而成。A型球形LSO:Ce粉体经1200℃/80MPa的放电等离子体烧结(SPS)后获得了平均晶粒尺寸为1.3 µm, 相对密度高达99.7%的LSO:Ce闪烁陶瓷。由A型球形LSO:Ce粉体压制的素坯在1650℃的空气气氛下烧结4 h后可获得相对密度达98.6%, 平均晶粒尺寸为1.6 μm的LSO:Ce陶瓷。该陶瓷经1650℃/150 MPa的热等静压(HIP)处理1 h后, 获得了相对密度为99.9%的半透明LSO:Ce闪烁陶瓷, 其平均晶粒尺寸为1.7 μm, 晶界干净。该LSO:Ce陶瓷的光产额可达28600 photons/MeV, 发光衰减时间为25 ns。     

热等静压烧结制备细晶粒Ce,Y:SrHfO3闪烁陶瓷

Ce:SrHfO₃陶瓷因具有高密度和高有效原子序数, 对高能射线具有很强的阻止能力。同时, Ce:SrHfO₃陶瓷还具有快衰减和高能量分辨率等优异的闪烁性能, 引起了研究人员的广泛关注。由于传统的烧结方法难以实现非立方结构Ce:SrHfO₃陶瓷的透明化, 本研究采用真空长时烧结和短时真空预烧结合热等静压烧结(Hot Isostatic Pressing, HIP)方法制备Ce,Y:SrHfO₃陶瓷。以金属氧化物和碳酸盐为原料, 1200 ℃下煅烧8 h可以获得平均粒径为152 nm的纯相Ce,Y:SrHfO₃粉体。1800 ℃真空烧结20 h获得平均晶粒尺寸为28.6 μm的不透明的Ce,Y:SrHfO₃陶瓷, 而两步烧结法可以制备光学透过率良好的Ce,Y:SrHfO₃陶瓷。本研究详细分析了陶瓷致密化过程中微结构的演变, 探究了预烧结温度对Ce,Y:SrHfO₃陶瓷密度、显微结构和光学透过率的影响。真空预烧(1500 ℃×2 h)结合HIP后处理(1800 ℃×3 h, 200 MPa Ar)所获得的Ce,Y:SrHfO₃陶瓷在800 nm处的最高直线透过率为21.6%, 平均晶粒尺寸仅为3.4 μm。在X射线激发下, Ce,Y:SrHfO₃陶瓷在400 nm处产生Ce³⁺ 5d-4f发射峰, 其XEL积分强度比商用锗酸铋(BGO)晶体高3.3倍, Ce,Y:SrHfO₃陶瓷在1 μs门宽下的光产额约为3700 ph/MeV。良好的光学和闪烁性能可以拓宽Ce,Y:SrHfO₃陶瓷在闪烁探测领域的应用。     

High electrical properties of W-additive Mn-modified PZT–PMS–PZN ceramics for high power piezoelectric transformers

The ceramics were prepared successfully by the addition of WO₃ to the Mn-modified Pb(Zr_0.52Ti_0.48)O₃–Pb(Mn_1/3Sb_2/3)O₃–Pb(Zn_1/3Nb_2/3)O₃ (PZT–PMS–PZN) for high power piezoelectric transformers application. XRD analysis indicated that the ceramics were mainly composed of a tetragonal phase in the range of 0–1.0 wt.% WO₃ addition. The grain size of the ceramics significantly decreased from 10.0 to 2.9 μm by addition of WO₃. Moreover, the addition of WO₃ promoted densification of the ceramics and increased mechanical quality factor (Q_m), planar coupling factor (K_p) and piezoelectric constant (d₃₃) kept high values, whereas, dielectric loss (tan δ) was low. Δf (=f_a − f_r) slightly changed when WO₃ addition was above 0.5 wt.%. The ceramics with 0.6 wt.% WO₃ addition, sintered at 1150 °C showed the optimized piezoelectric and dielectric properties with Q_m of 1852, K_p of 0.58, d₃₃ of 243 pC/N and tan δ of 0.0050. The ceramics are promising candidates for high power piezoelectric transformers application.     

氮气压力对多孔氮化硅陶瓷显微组织和力学性能的影响

以α-Si₃N₄为原料, Y₂O₃为烧结助剂, 在三种不同的氮气压力(0.12、0.32和0.52 MPa)下烧结制备了多孔氮化硅陶瓷。研究了氮气压力对氮化硅的烧结行为、显微组织和力学性能的影响, 分别通过SEM观察显微组织并统计晶粒的长径比, 通过XRD对物相进行分析, 并对烧结试样进行三点弯曲强度测试。随着氮气压力的提高, 多孔陶瓷的线收缩率降低、气孔率提高, 这是由于低熔点的液相中N含量随氮气压力的提升而增加, 导致了液相粘度提高, 抑制陶瓷致密化。随着氮气压力的提高, 组织中的棒状β-Si₃N₄生长良好, 晶粒长径比增大, 其原因是高的液相粘度抑制了β-Si₃N₄形核, 有利于β-Si₃N₄生长。由于β-Si₃N₄棒状晶的作用, 陶瓷弯曲强度随氮气压力的升高得到改善, 但是气孔率的升高降低陶瓷的强度。在0.52 MPa的氮气压力下烧结的多孔陶瓷气孔率达58%, 弯曲强度为140 MPa。