论文定稿-2014-06-07

伊犁师范学院物理科学与技术学院2014届本科毕业论文(设计)论文题目：（1-x%-6%）BaTiO3+6(at)%ZnO+x(at)%Y2O3陶瓷的制备及其性能分析作者姓名：张强班级：应用物理10-2B班专业：应用物理学学号：10070201054指导教师：尹红梅讲师完成时间：2014年5月25日物理科学与技术学院二〇一四年五月（1-x%-6%）BaTiO3+6(at)%ZnO+x(at)%Y2O3陶瓷的制备及其性能分析内容摘要采用的是传统的固相反应法，制备了掺入Y2O3的BaTiO3-ZnO陶瓷，通过对所制备陶瓷样品结构、常温介电、压电、铁电性能的分析，发现：1）与未掺入Y2O3的BaTiO3-ZnO陶瓷相比，Y2O3的掺入减小了BaTiO3-ZnO陶瓷的径向收缩率、密度和晶胞体积，同时使材料的晶系结构由立方相转变为四方相结构，Y3+进入BaTiO3-ZnO陶瓷晶格中并与之形成了固溶体；2）Y2O3的掺入可以提高样品的矫顽场(Ec)，但对材料压电系数变化不大，介电常数总体在减小，当未掺入Y2O3时，样品的介电常数最大('2577)，样品的介电损耗最小(tan0.0083)。关键词：铁电体固相反应法BaTiO3-ZnOThePreparationof（1-x%-6%）BaTiO3+6(at)%ZnO+x(at)%Y2O3CeramicsandPerformanceAnalysisAbstractTraditionalsolid-phasereactionwasusedforthepreparationof(1-x%-6%)BaTiO3+6(at)%ZnO+x(at)%Y2O3(x=0.05,0.10,0.15,0.20)ceramics.XRDequipment,PM300piezoelectricanalyzerandTF2000ferroelectricanalyzerwereusedfortestingthestructuredetectionofthestructure,dielectric,piezoelectricityandferroelectricpropertiesofsamples,withthefollowingconclusionsdrawn:1)comparedwithBaTiO3-ZnOceramicswithoutY2O3,theradialshrinkagerate,densityandcellvolumeofBaTiO3-ZnOceramicsdecreasewhendopedY2O3.Atthesametime,thecrystalstructureofmaterialphasetransformsfromcubicstructuretotetragonalstructure;2)Y2O3dopedcanincreasethecoercivefieldanddielectriclossofthesamples,butalittlechangeonthepiezoelectriccoefficientofmaterials,andreducethedielectricconstantofBaTiO3-ZnOceramics.PureBaTiO3-ZnOceramicshave,maximumdielectricconstant('2577),minimumdielectricloss(tan0.0083).Keywords:FerroelectricsSolidstatereactionmethodBaTiO3-ZnO目录1、绪论......................................................11.1引言..................................................11.2陶瓷材料简介..........................................11.2.1功能陶瓷.........................................1压电陶瓷...............................................1铁电陶瓷...............................................21.2.2钛酸钡陶瓷性能与应用.............................31.3铁电陶瓷的一般制备方法................................31.4钛酸钡陶瓷改性掺杂....................................41.4.1等价离子掺杂.....................................41.4.2不等价离子掺杂...................................41.5本论文思路............................................52、实验过程..................................................62.1实验试剂..............................................62.2实验仪器及使用........................................62.2.1精密电子天平.....................................72.2.2电热恒温鼓风干燥箱...............................82.2.3行星式球磨机.....................................92.2.4台式粉末压片机..................................102.2.5箱型电阻炉......................................112.3样品制备.............................................113、实验测量与分析...........................................143.1X光衍射测量.........................................143.2铁电性能测试.........................................163.3压电性能测试.........................................184、结论.....................................................20参考文献.................................................22致谢......................................................24伊犁师范学院物理科学与技术学院2014届应用物理学专业毕业论文11、绪论1.1引言随着科学技术的不断进步，人们对材料的要求不断提高，新型材料在近几年越来越热，由此，陶瓷工业发生了巨大变化，新型陶瓷材料在科学研究中的地位也越来越重要。1.2陶瓷材料简介陶瓷材料是经过成形、高温烧结等步骤而制成的一类无机非金属材料，具有高熔点、高硬度、高耐磨性、耐氧化等优点[1]。陶瓷材料按其来源可分为普通陶瓷和特种陶瓷。特种陶瓷是指以纯度较高的人工合成化合物为主要原料的人工化合物，按其性能又可将特种陶瓷材料分为：结构陶瓷和功能陶瓷。1.2.1功能陶瓷功能陶瓷是指：具有特殊电、磁、声、光、热等性能的陶瓷，因其性质的实现，往往取决于其内部的电子状态或原子核结构，因此功能陶瓷又称为电子陶瓷[2]。功能陶瓷按其不同性质可分为铁电陶瓷、半导体陶瓷、绝缘陶瓷、介电陶瓷、发光陶瓷等。压电陶瓷压电陶瓷，一种能够将机械能和电能互相转换的功能陶瓷材料，属于无机非金属材料。压电陶瓷利用其材料在机械应力作用下，引起内部正负电荷中心相对位移而发生极化，导致材料两端表面出现符号相反的束缚电荷即压电效应而制作，具有敏感的特性[3]。压电陶瓷主要用于制造超声换能器、水声换能器、电声换能器、陶瓷滤波器、陶瓷变压器、陶瓷鉴频器、高压发生器、红外探测器、声表面波器件、电光器件、引燃引爆装置和压电陀螺等，除了用于高科技领域，它更多的是在日常生活中为人们服务，为人们创造更美好的生活。铁电陶瓷一般不具有压电性，但是经过人工极化后，其中各个微晶粒的电矩取向沿极化时的外电场方向占优势，产生一个平均不为零的宏观剩余极化强度Pr而成为压电陶瓷。技术上应用的压电材料的主要性能用弹性常数、介电常数、压电常数和机电耦合系数来标记，常简单地合称这些参数为压电体的电弹常数。压电体的介质和机械损耗角正切的倒数分别称为电品质因数和机械品质因数[4]。单晶和陶瓷压电谐振器在电子技术中广泛用作稳频元件和带通滤波器。伊犁师范学院物理科学与技术学院2014届应用物理学专业毕业论文2铁电陶瓷铁电陶瓷是指主晶向为铁电体的陶瓷材料。其基本特征是具有铁电性。称铁性是指：某些电介质可自发极化，在外电场作用下自发极化能重新取向，而且电位矢量与电场强度之间的关系呈电滞回线的现象[5]。铁电陶瓷的主要特性有：1）在一定温度范围内存在自发极化，当高于某一居里温度时，自发极化消失，铁电相变为顺电相，而且这种自发极化方向与晶体有关，例如四方结构的BaTiO3晶体中自发极化方向只有六个：±[100]、±[010]和±[001]，因此晶体中只能出现90°畴和180°畴。在外电场作用下，各畴的极化方向趋于一致；2）存在电畴（在铁电体中，固有电偶极矩在一定的子区域内取向相同的这些区域就称为电畴）；3）铁电体的介电常数在一定温度下急剧增大，但是介电常数在某温度范围急剧增加的材料并不一定为铁电体，例如反铁电体在某温度范围也会有介电常数异常。在Curie温度以上，由于热运动的影响比较大，晶体中不存在自发极化，这种相结构称为顺电相。当温度降低至Curie温度以下时，晶体中的自发极化占据主导作用，发生由顺电相向铁电相的转变，并伴随晶体的结构类型和对称性的变化。铁电与顺电相的转变可以是一级相变，或二级相变，它们间的区别在于介电常数在转变温度附近是否有突变。铁电陶瓷的介电特性除了与温度强烈有关外，还与外加电场的强度、掺杂以及材料的微结构有关。固溶体会改变铁电陶瓷的Curie温度，通常可以采用制备固溶体的方法来调节温度对材料的介电性能的影响；4）极化强度随外加电场强度而变化，形成电滞回线；5）介电常数随外加电场呈非线性变化；6）在电场作用下产生电致伸缩或电致应变。其电性能发生改变。如高的抗电压强度和介电常数，低的老化率。介电常数或介质的电容量随交流电场或直流电场的变化率小。常见的铁电陶瓷多属钙钛矿型结构，如钛酸钡陶瓷(BaTiO3)及其固溶体，也有钨青铜型、含铋层状化合物和烧绿石型等结构。利用铁电陶瓷的高介电常数可制作大容量的陶瓷电容器；利用其压电性可制作各种压电器件；利用其热释电性可制作红外探测器；通过适当工艺制成的透明铁电陶瓷具有电控光特性，利用它可制作存贮，显示或开关用的电控光特性[6]。通过物理或化伊犁师范学院物理科学与技术学院2014届应用物理学专业毕业论文3学方法制备的PZT、PLZT等铁电薄膜，在电光器件、非挥发性铁电存储器件等有重要用途。1.2.2钛酸钡陶瓷性能与应用自20世纪40年代年发现钛酸钡陶瓷的压电性以来,压电陶瓷的发展已有60余年。压电陶瓷作为一类重要的、国际竞争极为激烈的功能材料,其应用已遍及人类生产及生活的各个角落。然而,传统的压电陶瓷大多是含铅陶瓷,其中氧化铅(或四氧化三铅)约占原料总质量的70%左右,在制备、使用及废弃处理过程中,都会给环境和人类带来危害[7]。从生态环境保护和社会可持续发展战略的