Nd摻雜鈦酸鋇基陶瓷的制備及性能研究*

(鐵電功能材料工程(技術(shù))研究中心 陜西省植物化學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室寶雞文理學(xué)院化學(xué)與化工學(xué)院，陜西寶雞 721013)

Nd摻雜鈦酸鋇基陶瓷的制備及性能研究*

王艷

(鐵電功能材料工程(技術(shù))研究中心 陜西省植物化學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室寶雞文理學(xué)院化學(xué)與化工學(xué)院，陜西寶雞 721013)

采用溶膠-凝膠一步法制備了Nd摻雜鋯鈦酸鋇基陶瓷，通過(guò) XRD、SEM 等分析檢測(cè)手段對(duì)樣品進(jìn)行表征。研究了Nd摻雜量的不同對(duì)其微觀形貌及介電性能的影響。研究表明：隨著Nd摻雜量的增大，鈦酸鋇基陶瓷的晶粒尺寸增大，介電常數(shù)呈現(xiàn)出先增大后減小的變化趨勢(shì)，介電損耗逐漸減小；當(dāng)Nd摻雜量為摩爾分?jǐn)?shù)0.07%時(shí)，陶瓷較為致密，其室溫介電常數(shù)達(dá)到最大值16032，介電損耗較小為0.0046。

溶膠-凝膠法，鈦酸鋇，Nd摻雜，介電性能

近年來(lái)，人們對(duì)陶瓷的開(kāi)發(fā)和研究很關(guān)注，而且在新工藝、新材料等很多方面取得了成果[1]。其中應(yīng)用最廣的一種陶瓷是鈦酸鋇陶瓷，它的鐵電性能良好、介電常數(shù)高及絕緣性好，因此被用于制備電容器、各種傳感器等[2-3]。

Ba(ZrxTi1-x)O3基陶瓷具有高的介電常數(shù)且相變區(qū)較寬，所以對(duì)它的研究相對(duì)比較廣泛[4-5]。摻雜改性在諸多的改性方法中是用的最多的一種，它可以很好地改善材料的性能[6]。在諸多的陶瓷粉體材料的制備方法中，溶膠-凝膠法[7-8]具有組成容易控制、燒結(jié)活性高、純度高、陶瓷的燒結(jié)溫度較低[9]等優(yōu)點(diǎn)而引起人們的關(guān)注。

在本研究中，我們采用溶膠-凝膠法制備了Nd摻雜鋯鈦酸鋇基陶瓷，研究了Nd摻雜量對(duì)鋯鈦酸鋇體系微觀結(jié)構(gòu)與介電特性的影響。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 試劑及儀器

D8型XRD粉末衍射儀(德國(guó)布魯克公司)；TM3000掃描電子顯微鏡(日本日立公司)；HP4284A精密LCR測(cè)試儀(美國(guó)惠普公司)。

Ba(CH3COO)2(化學(xué)純)，Zr(NO3)4·5H2O(化學(xué)純)，Nd2O3(化學(xué)純)，Ti(C4H9O)4(分析純)，CH3CH2OH(分析純)，CH3CH2OOH(分析純)。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

室溫下，利用磁力攪拌將化學(xué)計(jì)量比的Ti(C4H9O)4與無(wú)水乙醇(10mL)和醋酸(15mL)混合均勻。接著，將一定量的Ba(CH3COO)2、Nd(NO3)3溶液及Zr(NO3)4·5H2O用50mL蒸餾水溶解制備成無(wú)機(jī)混合溶液，將其緩慢滴加入上述的Ti(C4H9O)4體系中，攪拌2h形成均勻的溶膠。將溶膠置于80℃水浴中經(jīng)40min后形成凝膠，空氣中陳化12h。將凝膠在80℃溫度下經(jīng)過(guò)12h烘干，得到干凝膠。干凝膠在馬弗爐中經(jīng)900℃預(yù)燒2h得到鋯鈦酸鋇基粉體。將所得粉體在水介質(zhì)中球磨12h，干燥后加入甘油和聚乙烯醇(PVA)造粒，6MPa壓力下壓片，500℃排膠，在1260℃/2h燒成陶瓷圓片，制作銀電極后測(cè)試其介電性能。

2 結(jié)果與討論

2.1 鋯鈦酸鋇基粉體樣品的相組成(XRD)分析

圖1為Nd摻雜量不同時(shí)鋯鈦酸鋇粉體樣品的XRD圖譜，從圖中可以看出，樣品均呈現(xiàn)出鈣鈦礦相結(jié)構(gòu)，同時(shí)有第二相BaCO3存在。

圖1 不同組分鋯鈦酸鋇基粉體的XRD圖譜Fig.1 XRD patterns of BZT-based ceramics with different Nd contents

2.2 Nd摻雜量對(duì)鋯鈦酸鋇陶瓷樣品表面形貌(SEM)的影響

圖2為不同Nd摻雜量BZT陶瓷的SEM圖。BZT基陶瓷的相對(duì)密度分別為84.7%、87.2%、92.1%、93.2%與89.7%。由圖可以看出，BZT陶瓷樣品中出現(xiàn)小晶粒和大晶粒共存的雙重顯微結(jié)構(gòu)。當(dāng)Nd3+摻雜量逐漸增加時(shí)，BZT基陶瓷樣品的粒徑呈現(xiàn)增大的趨勢(shì)。因此，Nd3+的加入可以促進(jìn)BZT基陶瓷晶粒的長(zhǎng)大。這可能是當(dāng)Nd3+對(duì)BZT中的Ti4+進(jìn)行取代時(shí)，由于Nd3+的電價(jià)與Ti4+的不同，為了保持電價(jià)平衡，會(huì)產(chǎn)生一定的氧空位，氧空位有利于物質(zhì)的擴(kuò)散，進(jìn)而促進(jìn)晶粒的長(zhǎng)大。

圖2 Nd摻雜量(摩爾分?jǐn)?shù))對(duì)BZT基陶瓷表面形貌的影響：(a)0.00%；(b)0.04%；(c)0.06%；(d)0.07%；(e)0.08%Fig.2 SEM images of BZT-based ceramics with different Nd contents：(a)0.00%；(b)0.04%；(c)0.06%；(d)0.07%；(e)0.08%

2.3 Nd摻雜量不同對(duì)鋯鈦酸鋇陶瓷樣品性能的影響

圖3所示為Nd摻雜量的不同對(duì)BZT基陶瓷樣品的介電常數(shù)和容溫變化率的影響情況。表1所列為該陶瓷體系的主要性能參數(shù)。從圖3(a)中可以看出，隨著Nd3+摻雜量的增大，BZT基陶瓷的最大介電常數(shù)呈現(xiàn)出先增大后減小的變化趨勢(shì)。眾所周知，陶瓷樣品致密性對(duì)其介電常數(shù)有著重要的影響。當(dāng)Nd3+摻雜量在摩爾分?jǐn)?shù)0.0～0.07%范圍內(nèi)變化時(shí)，BZT基陶瓷的介電常數(shù)增大，這可能是由于BZT基陶瓷的相對(duì)密度增大所導(dǎo)致。當(dāng)Nd3+摻雜量進(jìn)一步增大時(shí)，BZT基陶瓷的相對(duì)密度減小，從而導(dǎo)致BZT基陶瓷的介電常數(shù)顯著降低。由圖3(b)中可知，當(dāng)Nd3+摻雜量在摩爾分?jǐn)?shù)0.0～0.06%范圍內(nèi)變化時(shí)，BZT基陶瓷的容溫變化率均符合Y5V標(biāo)準(zhǔn)。而當(dāng)Nd3+摻雜量為摩爾分?jǐn)?shù)0.07%時(shí)，其相對(duì)密度最大為93.2%，其室溫介電常數(shù)較高為16032，但是不符合Y5V標(biāo)準(zhǔn)。

圖3 Nd摻雜量對(duì)BZT基陶瓷介電特性的影響：(a)介電常數(shù)；(b)溫度穩(wěn)定性Fig.3 Temperature dependence of the dielectric properties as a function of the Nd content for the BT ceramics：(a)dielectric constant；(b)TCC

圖4 Nd摻雜量對(duì)BZT基陶瓷介電損耗的影響Fig.4 Temperature dependence of the dielectric loss as a function of the Nd content for the BZT ceramics

圖4為不同Nd摻雜量下BZT基陶瓷的介電損耗圖。由圖4和表1可知，當(dāng)Nd3+摻雜量在摩爾分?jǐn)?shù)0.04%～0.08%范圍內(nèi)變化時(shí)，樣品的介電損耗隨著Nd摻雜量的增加而逐漸減小，且其室溫介電損耗均小于0.82%，這可能是因?yàn)锽ZT基陶瓷材料的極化方式主要以離子極化為主，而離子之間的距離會(huì)隨著Nd摻雜量的增加而增大。離子之間的距離增大離子極化則變得緩慢，從而導(dǎo)致介電損耗也隨之變小。

表1 BaTiO3基陶瓷的主要性能參數(shù)Table 1 Main properties of the BaTiO3-based ceramics

3 結(jié)論

采用溶膠-凝膠一步法制備了Y5V型鋯鈦酸鋇基陶瓷。研究了Nd摻雜量對(duì)其微觀形貌及介電性能的影響。結(jié)果表明：隨著Nd摻雜量的增大，鈦酸鋇基陶瓷的晶粒尺寸增大，介電常數(shù)呈現(xiàn)出先增大后減小的變化趨勢(shì)；當(dāng)Nd摻雜量為摩爾分?jǐn)?shù)0.07%時(shí)，其最大介電常數(shù)達(dá)到最大值21013，室溫介電損耗較小為0.0046。

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PreparationandDielectricPropertiesofNd-dopingBariumTitanateCeramic

WANG Yan

(Engineering Research Center of Advanced Ferroelectric Functional Materials，College of Chemistry and Chemical Engineering，Baoji University of Arts and Sciences，Key Laboratory of Phytochemistry of Shaanxi Province，Baoji 721013，Shaanxi，China)

The Nd-doped Ba(Zr0.1Ti0.9)O3ceramics were prepared by sol-gel method. Samples were analyzed by using XRD，SEM and so on. The effect of Nd-doped concentration on the microstructure and dielectric properties of Nd-doped Ba(Zr0.1Ti0.9)O3ceramics were investigated. As the Nd-doped concentration increased，grain sizes increased，while the maximum dielectric constant first increased and then decreased. As the Nd-doped concentration was 0.07mol%，and that with a permittivity of 16032，low dielectric loss below 0.46 % at room temperature.

sol-gel method，Ba(Zr0.1Ti0.9)O3，Nd-doping，dielectric property

TQ 028.8；TB 34

陜西省教育廳項(xiàng)目(16JK1040)；寶雞市科技局(16RKX1-4)；寶雞文理學(xué)院校級(jí)重點(diǎn)項(xiàng)目(ZK16054)