试议结构填满型钨青铜结构Sr_2K_(0.1)Na_(0.9)Nb_5O_(15)基陶瓷制备和性能

摘要：钨青铜型铁电体由于具有优良的电学性质、电光性质、非线性光学性质、以及变晶相界等特性,同时比较容易获得优质且大尺寸的晶体材料,由此被广泛运用于联想存储记忆、激光倍频、电光调制、超导湿度传感器、光学信息处理和固体燃料等领域。其中,填满型钨青铜结构的Sr2NaNb5O15基化合物具有优异的电光、介电、铁电和光折射性能,是无铅铁电领域具有探讨潜力的材料之一。但铌酸锶钠陶瓷材料有着着烧结温度过高、压电和介电性能相对较低等缺点,并且较难制备出具有良好致密性和较优性能的样品。本论文在传统固相法的基础上采取二步合成技术成功制备了致密性优良的Sr2K0.1Na0.9Nb5O15(简称SKNN)系列铁电陶瓷,并且以烧结工艺、配方设计和掺杂改性三方面进行了探讨。首先探讨工艺条件对系统相结构、微观形貌、密度以及介电和铁电性能的影响,筛选出最佳工艺条件。随后进行组分设计,选择了Ta.Sb和LiSbO3分别作为取代和掺杂剂,对基础组分进行了B位取代和掺杂探讨,以期达到制约异常晶粒出现、避开陶瓷表面裂纹出现、降低烧结温度、降低介电损耗、提升陶瓷致密度和优化电性能的目的。主要内容如下：首先,系统探讨预烧温度和烧结温度对Sr2K0.1Na0.9Nb5O15陶瓷系统相结构、微观形貌、密度、介电和铁电性能的影响。探讨结果发现当预烧温度为1180℃,烧结温度为1340℃,所获陶瓷的相结构为四方钨青铜结构,此时陶瓷晶粒大小均一,气孔较少,致密度出现最大值,电性能出现最佳：εγ=1221,εm=1701,Tc=270.℃,tanδ=0.013,Pr=5.55μC/cm2,Ec=15.7kV/cm.其次,在确定好基础系统的最佳工艺条件之后,进行B位取代,分别探讨B位Ta和Sb取代对陶瓷相结构、显微结构和电性能的影响,同时探讨取代机制。当Ta取代Nb5+时,陶瓷相结构均为钨青铜结构且无杂相。随着Ta含量的增加,陶瓷的烧结温度升高,但晶粒尺寸越来越小,说明Ta的引入能显著起到抑制晶粒生长的作用,以而避开异常晶粒的出现。另外,随着Ta含量的增加,陶瓷的居里温度以270℃逐渐降低到-35℃,同时,介电性能逐渐降低、铁电性能逐渐恶化,说明Ta的引入恶化了陶瓷电性能。当Sb取代Nbs+时,所获陶瓷相结构均为钨青铜结构且无杂相。随着Sb含量的增加,陶瓷的烧结温度降低,但晶粒形貌的各向异性显著增加,陶瓷表面的气孔数也在显著增加。另外,随着Sb含量的增加,陶瓷的室温介电常数逐渐降低,当x=0.5时,在所测温度范围内并没有观察到介电峰。当x=1.0和1.5时,在300℃附近发现一个微弱的介电峰,峰的强度随着Sb含量的增加逐渐减弱并消失。最后,在基础组分中引入LiSbO3,探讨LiSbO3含量的变化对陶瓷相结构、微观形貌以及电性能的影响,以期降低烧结温度,并且改善其电性能。结果表明：获得陶瓷最佳性能的预烧温度和烧结温度分别以基础系统的1180℃和1340℃降低到1160℃和1320℃。同时,随着LiSbO3含量的增加,陶瓷的密度呈现先增大后降低的走势,陶瓷晶粒的尺寸越来越大,陶瓷的常温介电常数εr、最大介电常数εm,剩余极化强度Pr和矫顽场Ec均呈现先增大后减低的走势。另外,居里温度Tc随着x的增大逐渐减小。当x=0.04时,陶瓷的密度获得最大值(4.9597g/cm3),致密性最好,陶瓷晶粒比较均匀,介电性能最佳。陶瓷电性能分别为：εr=1492,εm=2062,Pr=6.84μ C/cm2,Ec=17.86kV/cm,Tc=241℃通过与基础系统的比较可以看出,引入适当量的掺杂剂LiSbO3,不仅可以降低预烧温度和烧结温度,还可以改善陶瓷材料的电性能。关键词：钨青铜结构论文铁电材料论文相结构论文电性能论文Sr_2K_(0.1)Na_(0.9)Nb_5O_(15)论文

摘要3-5

Abstract5-10

第1章 绪论10-24

1.1 铁电体概述10-14

1.1.1 铁电体介绍10-11

1.1.2 铁电体的基本特性11-13

1.1.3 铁电体的进展历史和探讨近况13-14

1.2 钨青铜结构铁电体材料概述14-18

1.2.1 钨青铜型铁电体的结构与分类14-16

1.2.2 钨青铜型铁电体的探讨近况16-18

1.3 填满型钨青铜结构的Sr_2NaNb_5O_(15)基化合物18-21

1.3.1 Sr_2NaNb_5O_(15)基化合物的结构、性质和运用概述18-19

1.3.2 Sr_2NaNb_5O_(15)基化合物陶瓷的致密化和A、B位取代探讨19-21

1.4 本论文的主要内容21-24

第2章 Sr_2 K_(0.1)Na_(1.9)Nb_5O_(15)无铅陶瓷的制备和性能的探讨24-42

2.1 引言24

2.2 实验部分24-28

2.2.1 制备工艺24-26

2.2.2 结构表征策略26

2.2.3 介电性能测试26-27

2.2.4 铁电性能测试27-28

2.3 预烧温度对Sr_2K_(0.1)Na_(1.9)Nb_5O_(15)陶瓷的影响28-34

2.3.1 预烧温度的变化对SKNN粉体和陶瓷相结构的影响28-29

2.3.2 预烧温度的变化对SKNN陶瓷显微结构的影响29-30

2.3.3 预烧温度的变化对SKNN陶瓷密度的影响30-31

2.3.4 预烧温度的变化对SKNN陶瓷电性能的影响31-34

2.4 烧结温度对Sr_2K_(0.1)Na_(1.9)Nb_5O_(15)陶瓷的影响34-40

2.4.1 烧结温度的变化对SKNN陶瓷相结构的影响34-35

2.4.2 烧结温度的变化对SKNN陶瓷显微结构的影响35-36

2.4.3 烧结温度的变化对SKNN陶瓷密度的影响36

2.4.4 烧结温度的变化对SKNN陶瓷电性能的影响36-40

2.5 本章小结40-42

第3章 B位取代对Sr_2 K_(0.1)Na_(1.9)Nb_5O_(15)陶瓷的影响42-58

3.1 引言42

3.2 实验部分42-43

3.2.1 制备工艺42-43

3.2.2 结构表征策略和电性能测试43

3.3 Ta取代对SKNN陶瓷结构和电性能的影响43-50

3.3.1 Ta取代对SKNN陶瓷相结构的影响43-44

3.3.2 Ta取代对SKNN陶瓷显微结构的影响44-45

3.3.3 Ta取代对SKNN陶瓷电性能的影响45-50

3.4 Sb取代对SKNN陶瓷结构和电性能的影响50-55

3.4.1 Sb~(5+)取代对SKNN陶瓷相结构的影响50-51

3.4.2 Sb~(5+)取代对SKNN陶瓷显微结构的影响51-52

3.4.3 Sb~(5+)取代对SKNN陶瓷电性能的影响52-55

3.5 Ta取代和Sb取代的机理探讨55

3.6 本章小结55-58

第4章 Sr_2 K_(0.1)Na_(1.9)Nb_5O_(15)-xLiSbO_3陶瓷的制备和性能探讨58-70

4.1 引言58

4.2 实验部分58-59

4.2.1 制备工艺58-59

4.2.2 结构表征策略和电性能测试59

4.2.3 居里外斯定律59

4.3 LiSbO_3含量对SKNN陶瓷显微结构和电性能的影响59-69

4.3.1 Sr_2 K_(0.1)Na_(1.9)Nb_5O_(15)-xLiSbO_3陶瓷的相结构和显微结构59-64

4.3.2 Sr_2 K_(0.1)Na_(1.9)Nb_5O_(15)-xLiSbP_3陶瓷的电性能探讨64-68

4.3.3 SKNN与SKNN-LS的制备和电性能比较68-69

4.4 本章小结69-70

第5章 全文结论和进一步探讨工作倡议70-72

5.1 全文主要结论70-71

5.2 进一步工作的倡议71-72