KBT CuW铁电陶瓷晶粒异常生长和巨介电性能研究 (1).pdf
《KBT CuW铁电陶瓷晶粒异常生长和巨介电性能研究 (1).pdf》由会员分享,可在线阅读,更多相关《KBT CuW铁电陶瓷晶粒异常生长和巨介电性能研究 (1).pdf(8页珍藏版)》请在咨信网上搜索。
1、第43卷第4期2023年8 月DOI:10.16185/.2023.04.102KBT-CuW铁电陶瓷晶粒异常生长和巨介电性能研究西安工业大学学报Journal of Xian Technological UniversityVol.43 No.4Aug.2023http:/张凯新,方频阳,鄄冲阳,宋刚刚,惠增哲(西安工业大学陕西省光电功能材料与器件重点实验室/材料与化工学院,西安7 10 0 2 1)摘要:为了探究Cu/W掺杂对Ko.5Bi4.5TiOis(K BT)铁电陶瓷显微组织和介电性能的影响,文中采用固相反应法制备了Ko.sBi4.5-Ti4-(Cu o.5Wo.5)2 O 15(K
2、 BT-Cu W,分别为0.0 0,0.01,0.02,0.03)陶瓷。采用X射线衍射分析仪表征陶瓷的相结构,扫描电子显微镜分析陶瓷的显微组织形貌,利用精密阻抗分析仪测试室温下不同频率(10 0 Hz10 7 H z)的介电常数和介电损耗tano,并测试不同温度(30 3453K)下的阻抗谱,最后利用Arrhenius公式计算得到KBT-CuW陶瓷电导率和温度关系。研究结果表明:KBT-CuW陶瓷为正交相结构并且伴有异常长大的晶粒出现;随着Cu+和W6+含量的增加,陶瓷中大晶粒尺寸逐渐减小,数量逐渐增加,其介电常数显著提高,=0.03陶瓷在10 0 Hz下介电常数达到了10;KBT-CuW陶瓷
3、的低频巨介电响应与异常长大晶粒引起的缺陷偶极子和界面响应有关。关键词:KBT陶瓷;巨介电常数;Cu/W掺杂;异常生长晶粒中图号:TM282Abnormal Grain Growth and Giant Dielectric Properties ofZHANG Kaixin,FANG Pinyang,ZHI Chongyang,SONG Ganggang,XI Zengzhe(Shaanxi Key Laboratory of Photoelectric Functional Materials and Devices,School of Materials Secience and Chem
4、ical Engineering,Xian Technological University,Xian 710021,China)Abstract:Ko.5 Bi4.5-Ti4-,(Cuo.5 Wo.5)2.O1s(KBT-CuW,=0.00,0.01,0.02,0.03)ceramics wassynthesized by the solid-state reaction method.The effects of Cu/W co-doped ions on the microstructureand dielectric properties of Ko.5 Bi4.5 TiOis(KBT
5、)ferroelectric ceramics were examined.Its phasestructure was characterized by an X-ray diffraction analyzer(XRD).Its microstructure was analyzed by ascanning electron microscope(SEM).Its dielectric constant e and dielectric loss tand at differentfrequencies(100107 Hz)were measured by a precision imp
6、edance analyzer at room temperature,and itsimpedance spectra were measured at different temperatures(303453 K).Fin a lly,t h e r e la t io n b e t w e e n文献标志码:AKBT-CuW Ferroelectric Ceramics文章编号:16 7 3-996 5(2 0 2 3)0 4-0 315-0 8*收稿日期:2 0 2 3-0 1-15基金资助:国家自然科学基金项目(5147 2 197;516 0 2 2 42);陕西省基础研究基金
7、项目(18 JS049);西安工业大学基础研究基金项目(XAGDXJJ17009)。第一作者简介:张凯新(1997 一),男,西安工业大学硕士研究生。通信作者简介:方频阳(198 1-),男,西安工业大学副教授,主要研究方向为铁电、高温压电材料,E-mail:f p y _ 2 0 0 0 16 3.c o m。引文格式:张凯新,方频阳,冲阳,等.KBT-CuW铁电陶瓷晶粒异常生长和巨介电性能研究J.西安工业大学学报,2 0 2 3,43(4):315-322.ZHANG Kaixin,FANG Pinyang,ZHI Chongyang,et al.Abnormal Grain Growth
8、 and Giant Dielectric Properties of KBT-CuW Ferroelectric CeramicsJJ.Journal of Xian Technological University,2023,43(4):315-322.316conductivity of KBT-CuW ceramics and temperature was calculated by using Arrhenius formula.Theresults show that KBT-CuW ceramics have an orthorhombic phase structure an
9、d abnormally growngrains.With an increase in the content of Cu+and W6+,there is a gradual decrease in the size of largegrains,a gradual increase in their number,and a significant increase in the ceramics dielectric constant,which(=0.03)reached 10 at 100 Hz.The low frequency giant dielectric response
10、 of KBT-CuW ceramicsis related to the defect dipoles and interface response caused by the abnormally large grains.Key words:KBT ceramics;giant dielectric constant;Cu/W doping;abnormal grain growth近年来,随着人们对生态环境越来越重视,无铅陶瓷的研究已经成为了热点材料。对于高温电容器材料的需求逐渐增加,所以研究开发应用于宽温度条件下的电子器件成为发展趋势1-2。Auril-lius型铋层状铁电陶瓷材料(
11、BLSFs)具有较高的居里温度、自发极化强、介电损耗低以及优异的高温电性能和良好的抗疲劳性能等特点。BLSFs的通用公式为(BizOz)2+(A m-1Bm O 3m+1)2-,其中A为适合十二面体配位的一价、二价、三价离子或它们的组合,B为适合八面体配位的过渡元素或其阳离子组合,是一个整数,表示(BiO,)层之间的伪钙钛矿(Am-1B.O3m+1)-层中BO6八面体的数目3-41。这种结构有利于掺杂离子进入晶格对其显微组织和电学性能进行改性,在非挥发性铁电存储器和高温材料中的应用前景令人关注,因此是一类具有潜在应用价值的高温电容器材料5-6 1。研究表明,掺杂改性工艺是提高和优化铋层状铁电陶
12、瓷电学性能的有效手段。文献7 选择A13+和V5+离子共掺杂对Ko.5Bi4.5TiO1s陶瓷进行介电性能改性,在低频下诱导了巨介电响应,当A13+和V5+含量为0.0 8 时KBT-AIV陶瓷介电常数达到了5.4X104(10 0 H z),其巨介电响应主要源于晶界和电极极化。文献8 采用A/B位共掺杂BaBi4TiO15陶瓷,制备了Bai-(K o.5Bio.5),Bi s.91T i 3.91(Cu 1/s V2/3)0.18 O 1s 陶瓷,=0.75时介电常数达到了10 4(10 0 Hz),发现低频巨介电响应与陶瓷中低熔点组分和异常长大的晶粒有关。可以看出,铋层状陶瓷B位的高低价阳
13、离子改性可以提高晶界响应,有助于介电常数的提高;同时,A位低熔点氧化物掺杂有助于大尺寸晶粒的生长,低频巨介电响应的来源与界面响应有关。但是关于铋层状铁电陶瓷显微组织和介电性能之间的联系仍需进一步研究,对于引起巨介电响应的原因也尚不明确。传统的巨介电陶瓷CaCusTi4O12和TiO,等在显微组织和巨介电响应调控方面做西安工业大学学报了大量的研究工作,研究表明通过优化陶瓷成分和制备工艺可以有效调控其微观组织,进而得到陶瓷微观组织和巨介电性能之间的影响规律及其调控机制9-13。文献14 研究Sr+和B3+/Zn+离子改性CaCu3TiO12陶瓷的显微组织和介电性能,掺杂B3+能加速晶粒生长,而Zn
14、能使晶粒尺寸略有减小,适当的B3+/Zn2+共掺杂可以提高陶瓷介电性能,主要是由于微观结构的改善和晶界响应的改变。文献15 研究了Cai-,Sr,CusTi4O12的微观结构对介电性能的影响,当Sr+掺杂晶粒尺寸增大使介电常数增加,结果表明,微观结构对陶瓷介电性能影响显著,晶粒之间的肖特基势垒是介电性能提高的原因。文献16 制备了Y/Nb共掺杂TiO2陶瓷,研究表明随着掺杂含量增加陶瓷的晶粒尺寸先增大后减小,所有陶瓷在宽温度和频率范围内都显示出巨大的介电常数。文献17 研究了烧结温度和掺杂含量对W6+掺杂TiO2的介电性能影响。随着W6+含量和烧结温度的升高平均晶粒尺寸逐渐增大,其介电响应是由
15、陶瓷内部的半导体晶粒和绝缘晶界之间的界面极化引起。通过离子掺杂引起了CaCu3Ti4O12和TiO2陶瓷显微组织中晶粒具有较大的变化,同时提高了陶瓷的介电常数,而阳离子共掺杂已经被证明是提高介电性能的有效方法之一18-2 11,Ko.5Bi4.5Ti4O15(K BT)陶瓷作为铋层状铁电陶瓷中典型的材料之一,其显微组织为各向异性生长的层片状晶粒,具有高的居里温度(T。=555)和稳定的高温介电性能2 。文中利用Cu2+和W6+共掺杂调控KBT陶瓷的显微组织,并探究陶瓷显微组织与介电性能之间的关系及其巨介电响应的影响机制。采用固相反应法制备Ko.5Bi4.5-Ti4-(Cuo.5Wo.5)2O1
16、s(K BT-C u W,分别为0.0 0,0.01,0.02,0.03)陶瓷,详细研究了KBT-CuW陶瓷的结构、显微组织和电学性能的演变。第43卷第4期1实验材料及方法文中采用固相反应法制备了Ko.5Bi4.5-Ti4-r(Cuo.5Wo.5)2 O i s(K BT-Cu W,)陶瓷,分别为0.0 0,0.01,0.02,0.03(分别简称为KBT,KBT-CuWo.01,KBT-CuWo.02和KBT-CuWo.03)。实验以试剂级氧化物和碳酸盐粉末KzCO(99%),Biz O(99.5%),TiO,(98%),CuO(99%)和 WO(9 9%)为原料。将这些原料按照实验方案中的化
17、学计量比称取粉料,在无水乙醇介质中球磨4h混合;取出烘干粉料在模具中压成圆块状预烧,在8 0 0 下熳烧4h后进行二次球磨8 h;将得到的粉料烘干压成直径llmm,厚度约1mm陶瓷片,在2 50 MPa下保压1min等静压成型;将制备好的陶瓷片放在氧化铝埚后放人高温电阻炉中,设置烧结温度为1100,保温2 h后炉内冷却;采用阿基米德排水法测定样品的密度。X射线衍射仪(XRD;X Pe r t PR O M PD,Philips,Eindhoven,Netherlands)在电压为 40 kV、电流为50 0 mA的条件下,采用CuK1辐射对样品的晶体结构进行表征。利用扫描电子显微镜(SEM,S
18、-450Hitachi)观察样品的形貌和微观结构。将陶瓷样品表面打磨到约1mm厚度,然后在其两面均匀涂抹银浆烘干,在550 下烧制30 min作为电极。使用Agilent4294A阻抗分析仪(Agilent,NewMexico,USA)测试不同频率下的介电常数和介电损耗(测试频率范围10 0 10 7 Hz,电压为500mV),并测试了不同温度下(30 3453K)的阻抗变化。2实实验结果与讨论2.1Cu/W掺杂KBT陶瓷的XRD分析如图1所示为KBT-CuW陶瓷的XRD图。利用Jade软件对陶瓷XRD衍射谱进行相结构的分析,从图中可以看出所有陶瓷的主衍射峰与KBT陶瓷的衍射峰非常相近,并没有
19、检测到二次相出现。KBT-CuW陶瓷的最强的衍射峰(119)符合BLSFs典型的通式(112 m十1)特征峰2 3,说明Cu+和W6+掺杂含量的增加,会进一步取代KBT陶瓷B位的Ti4+并扩散到KBT陶瓷的晶格中并形成了单一固溶体结构。所有陶瓷样品的相结构为正交相,均隶属于A21am空间点群。张凯新,等:KBT-CuW铁电陶瓷晶粒异常生长和巨介电性能研究(8100)美美(020)ne/l人人人2025图1KBT-CuW陶瓷的XRD图谱Fig.1 XRD patterns of the KBT-CuW ceramics2.2Cu/W掺杂对KBT陶瓷显微组织的影响如图2 所示为Cu+和W6+改性K
20、BT-CuW陶瓷的横截面SEM显微组织图。与未掺杂KBT陶瓷相比,在Cu2+和W6+改性KBT陶瓷中观察到两种不同尺寸和形貌的异常长大晶粒。在图2(a)和(b)中异常生长的大晶粒是不规则形貌且分布较少,其晶粒尺寸约10 0 m;在图2(c)中可以看到陶瓷具有较高的致密性,异常生长的大晶粒有规则形貌且分布较多,其晶粒尺寸约2 0 m。图2(d)为KBT-CuWo.03样品中大晶粒的局部放大图,陶瓷中大晶粒是被小晶粒包围的随机分布形貌。说明随着Cu/W含量的增加,KBT-CuW陶瓷中大晶粒的数量逐渐增加,尺寸逐渐减小。如图3所示为KBT-CuWo.03陶瓷横截面的背散射SEM和EDS分析图。在图3
21、(a)中选择了KBT-CuWo.03陶瓷大晶粒(Spectruml)和小晶粒(Spectrum2)两个不同区域,对应的背散射电子SEM图像如图3(b)所示。用EDS分析了KBT-CuWo.03陶瓷大晶粒和小晶粒的两个代表性区域,分别对应于图3(c)和(d)所示的谱1和谱2,可以看出大晶粒和小晶粒的成分没有明显差异,所以大晶粒和小晶粒的相结构是相同的,这些结果与XRD分析结果一致。由SEM和EDS综合分析表明,在烧结过程中具有典型板状形貌的小晶粒被大晶粒所吞噬2 1。这种现象可能是由于烧结过程中液相的存在造成的,高熔点WO(147 3)的存在抑制了元素的扩散增加了晶粒成核次数,导致了大晶粒数量的
22、增加和尺寸的减小。KBT、K BT-C u Wo.0 1、K BT-317x=0.00 x=0.01(611)x=0.02x=0.03八303520/4045505560318CuWo.o2和KBT-CuWo.03陶瓷的烧结密度分别为6.8411,6.9303,7.0927和7.12 2 8 gcm3。西安 工业大学学报结果表明在KBT陶瓷中添加Cu2+和W6+可以提高陶瓷的致密度。第43卷X30030.00kV(a)KBT-CuWoo1200umX30030.00kV(b)KBT-CuWo.02200um30030.00kV(c)KBT-CuWo.03图2KBT-CuW陶瓷的横截面SEM图F
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- KBT CuW铁电陶瓷晶粒异常生长和巨介电性能研究 1 CuW 陶瓷 晶粒 异常 生长 巨介电 性能 研究
1、咨信平台为文档C2C交易模式,即用户上传的文档直接被用户下载,收益归上传人(含作者)所有;本站仅是提供信息存储空间和展示预览,仅对用户上传内容的表现方式做保护处理,对上载内容不做任何修改或编辑。所展示的作品文档包括内容和图片全部来源于网络用户和作者上传投稿,我们不确定上传用户享有完全著作权,根据《信息网络传播权保护条例》,如果侵犯了您的版权、权益或隐私,请联系我们,核实后会尽快下架及时删除,并可随时和客服了解处理情况,尊重保护知识产权我们共同努力。
2、文档的总页数、文档格式和文档大小以系统显示为准(内容中显示的页数不一定正确),网站客服只以系统显示的页数、文件格式、文档大小作为仲裁依据,平台无法对文档的真实性、完整性、权威性、准确性、专业性及其观点立场做任何保证或承诺,下载前须认真查看,确认无误后再购买,务必慎重购买;若有违法违纪将进行移交司法处理,若涉侵权平台将进行基本处罚并下架。
3、本站所有内容均由用户上传,付费前请自行鉴别,如您付费,意味着您已接受本站规则且自行承担风险,本站不进行额外附加服务,虚拟产品一经售出概不退款(未进行购买下载可退充值款),文档一经付费(服务费)、不意味着购买了该文档的版权,仅供个人/单位学习、研究之用,不得用于商业用途,未经授权,严禁复制、发行、汇编、翻译或者网络传播等,侵权必究。
4、如你看到网页展示的文档有www.zixin.com.cn水印,是因预览和防盗链等技术需要对页面进行转换压缩成图而已,我们并不对上传的文档进行任何编辑或修改,文档下载后都不会有水印标识(原文档上传前个别存留的除外),下载后原文更清晰;试题试卷类文档,如果标题没有明确说明有答案则都视为没有答案,请知晓;PPT和DOC文档可被视为“模板”,允许上传人保留章节、目录结构的情况下删减部份的内容;PDF文档不管是原文档转换或图片扫描而得,本站不作要求视为允许,下载前自行私信或留言给上传者【自信****多点】。
5、本文档所展示的图片、画像、字体、音乐的版权可能需版权方额外授权,请谨慎使用;网站提供的党政主题相关内容(国旗、国徽、党徽--等)目的在于配合国家政策宣传,仅限个人学习分享使用,禁止用于任何广告和商用目的。
6、文档遇到问题,请及时私信或留言给本站上传会员【自信****多点】,需本站解决可联系【 微信客服】、【 QQ客服】,若有其他问题请点击或扫码反馈【 服务填表】;文档侵犯商业秘密、侵犯著作权、侵犯人身权等,请点击“【 版权申诉】”(推荐),意见反馈和侵权处理邮箱:1219186828@qq.com;也可以拔打客服电话:4008-655-100;投诉/维权电话:4009-655-100。