摘 要

BaTi₂O₅具有较高的居里温度，且在较高的温度范围内仍然具有较高介电常数和较低的介电损耗。BaTi₂O₅是一种很好的适用于高温环境的新型无铅铁电材料。本文采用常规固相反应法制备了BaTi₂O₅陶瓷，采用Fe掺杂改性对BaTi₂O₅陶瓷性能的影响进行研究，探究Fe掺杂对陶瓷相组成和介电性能的影响。选择三氧化二硼（B₂O₃）和二氧化硅（SiO₂）做烧结助剂，以达到降低烧结温度的目的，制备的B₂O₃-BaTi₂O₅陶瓷及SiO₂-BaTi₂O₅陶瓷应满足相的稳定和致密化要求。主要研究内容如下：

1. 以碳酸钡（BaCO₃）、二氧化钛（TiO₂）为原料制备纯相BaTi₂O₅。以制得的BT₂粉体为基础，采用常规的固相反应法，经预烧、成型、烧结等工艺程序，制备不同烧结温度制度条件下的BaTi₂O₅陶瓷。对预烧温度制度以及烧结温度制度进行研究，探索BaTi₂O₅陶瓷制备生产的最佳工艺。

2. 选择三氧化二硼（B₂O₃）和二氧化硅（SiO₂）做烧结助剂，目的是达到降低烧结温度，确保制备的B₂O₃-BaTi₂O₅陶瓷及SiO₂-BaTi₂O₅陶瓷满足相的稳定和致密化要求。

3. 对Fe掺杂BaTi₂O₅ 陶瓷性能影响进行研究：通过掺入不同含量的三氧化二铁，制备出掺杂的 BaTi₂O₅ 陶瓷。系统地研究Fe掺杂对陶瓷相组成和介电性能的影响。利用XRD和介电等测试手段对所制备的BaFe_xTi_2-xO₅陶瓷进行表征，获得其对性能的影响规律。其中，掺Fe量分别为0.1wt%、0.3wt%、0.5wt%、0.7wt%、1wt%。

关键词：BaTi₂O₅ 陶瓷；铁电材料；掺杂改性；介电性能；烧结助剂

Abstract

BaTi₂O₅ has a high Curie temperature, and in the higher temperature range still has a higher dielectric constant and lower dielectric loss. BaTi₂O₅ is a very good new high-temperature environment for the new lead-free ferroelectric materials. In this paper, BaTi₂O₅ ceramics were prepared by conventional solid-state reaction method. The effect of Fe doping on the properties of BaTi₂O₅ ceramics was studied. The effect of Fe doping on the ceramic phase composition and dielectric properties was investigated. B₂O₃-BaTi₂O₅ ceramics and SiO₂-BaTi₂O₅ ceramics should meet the requirements of stabilization and densification of phase. The results show that B₂O₃-BaTi₂O₅ ceramics and SiO₂-BaTi₂O₅ ceramics can meet the requirements of stabilization and densification. The main research contents are as follows:

1. Select boron trioxide (B₂O₃₎ and silica (SiO₂) as sintering additives, the purpose is to reduce the sintering temperature, It is ensured that the prepared B₂O₃-BaTi₂O₅ ceramics and SiO₂-BaTi₂O₅ ceramics meet the requirements of phase stability and densification.

2. Select boron trioxide (B₂O₃) and silica (SiO₂) as sintering additives, the purpose is to reduce the sintering temperature,The B₂O₃-BaTi₂O₅ ceramics and SiO₂-BaTi₂O₅ ceramics should meet the requirements of stabilization and densification.

3. The effects of Fe-doped BaTi₂O₅ ceramics on the properties of Fe-doped BaTi₂O₅ ceramics were studied by incorporating different contents of ferric oxide. The effects of Fe doping on the ceramic phase composition and dielectric properties were systematically investigated. The BaFe_xTi_2-xO₅ ceramics prepared by XRD and dielectric methods were used to characterize the properties of BaFe_xTi_2-xO₅ ceramics. Wherein the Fe content is 0.1wt%, 0.3wt%, 0.5wt%, 0.7wt% and 1wt%, respectively.

Key Words: BaTi₂O₅ ceramics; Ferroelectric materials; Doping modification; Dielectric properties; Sintering additives

目录

摘 要 I

Abstract II

第1章 绪论 1

1.1 引言 1

1.2 BaTi₂O₅无铅铁电材料 2

1.2.1 BaTi₂O₅的早期研究 2

1.2.2 BaTi₂O₅的晶体结构与性能关系 3

1.2.3 BaTi₂O₅材料的研究进展 5

1.3 本文的研究意义、目的以及主要内容 8

第2章 陶瓷的制备及其结构与性能表征 10

2.1 引言 10

2.2 实验原料及仪器设备 10

2.3 陶瓷的制备工艺路线 11

2.4 样品结构表征与性能测试 16

2.4.1 表观密度 16

2.4.2 X射线衍射分析（XRD） 16

2.4.3 介电性能测试 16

第3章 BaTi₂O₅铁电陶瓷的制备与掺杂改性研究 18

3.1 纯相BaTi₂O₅铁电陶瓷的研究 18

3.1.1 实验方法和工艺 18

3.1.2 物相组成 19

3.1.3 陶瓷粉料预烧温度制度 19

3.1.4 烧结性能 20

3.1.5 介电性能 21

3.2 添加烧结助剂BaTi₂O₅陶瓷的研究 23

3.2.1实验方法和工艺 23

3.2.2物相组成 24

3.2.3烧结性能 24

3.2.4介电性能 25

3.3 BaFe_xTi_2-xO₅陶瓷的研究 26

3.3.1实验方法和工艺 26

3.3.2物相组成 27

3.3.3烧结性能 29

3.3.4介电性能 29

第4章 结论 32

参考文献 33

致 谢 35

第1章 绪论

1.1 引言

铁电材料，在一定的温度范围内，无外加电场作用时，具有自发极化的特性，即晶体的正负电荷中心不重合而呈现出电偶极矩的现象；在外电场作用下，其自发极化能重新取向，并随着外电场的改变而发生改变，出现极化反转现象^[1]。采用Sawyer和Tower设计的电路即示波器图示法（Sawyer-Tower电路法），如图1.1所示。可以观测到电位移矢量与电场强度间的关系呈电滞回线特征，即表现出铁电性。铁电材料的典型电滞回线如图1.2所示。

铁电体能够在居里温度（T_c）以下或附近表现出良好的铁电性能。自1920 Valasck等人研究罗息盐单晶的物理性能时，首次发现了铁电现象。人们开始将注意力转移到铁电性能的研究，并又陆续发现了其他许多铁电晶体（如磷酸二氢钾KH₂PO₄、钙钛矿结构的钛酸钡BaTiO₃以及钛酸铅PbTiO₃）。在铁电材料的发展过程中，针对铁电体研究的不同时期共有三大理论研究成果，其中磷酸二氢钾（KDP）时期的热力学理论和钙钛矿时期共有的软模理论奠定了铁电材料的研究基础。郎道的相变理论被应用于KH₂PO₄，从热力学的角度来研究铁电相变，在后期则成为BaTi0₃铁电体唯象理论的基础。以上理论对铁电材料的研究起到了推动作用，为铁电相变现象的解释以及阐述提供了理论依据。^[2,3]

图1.1 观测电滞回线的电路原理图