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NaBiTi6O(14)电子陶瓷的制备与阻抗分析

2024-01-19 来源:步旅网
第39卷第1期 2017年1月 湖北大学学报(自然科学版) Journal of Hubei University(Natural Science) V01.39 No.1 文章编号:1000—2375(2017)01—0036—05 NaBiTi6 O14电子陶瓷的制备与阻抗分析 陈勇1,2,张灿灿 ,黄镇 一,卞梦云 ,陈琪 ,徐玲芳 ,曹万强 (1.有机化工新材料湖北省协同创新中心,湖北武汉430062;2.湖北大学物理与电子科学学院 铁电压电材料与器件湖北省重点实验室,湖北武汉430062; 3.湖北大学材料科学与T程学院,湖北武汉430062) 摘要:采用传统的同相反应法制备陶瓷样品,XRD衍射分析测得样品的相组成,通过阻抗谱测试样品的阻抗z ,利 用阻抗谱LCR方法测试得出材料的介电常数s 、介电损耗tan6与温度和频率的关系;通过计算得 NaBiTi O 的活化能 值.结果表明在950℃预烧、1 100℃与1 150℃烧结下,介电损耗tan6为10 数量级;阻抗谱测试显示的两组样品的z 图.实部的最大值都大于10 Q,由Z 图计算所得的活化能均大于1 eV.结果显示,NaBiTi O 是一种适合于高温高频的 介质材料. 关键词:NBT;NaBiTi O ;介电常数;介电损耗;活化能 中图分类号:TM28;TN304.82 文献标志码:A DOI:10.3969/j.issn.1000—2375.2017.O1.007 The preparation of NaBiTi6 O l4 electronic ceramics and impedance analysis CHEN Yong 一,ZHANG Cancan 一,HUANG Zhen ,BIAN Mengyun 一, CHEN Qi 一.XU Lingfang 一.CAO Wanqiang , , (1.Hubei Collaborative Innovation Center for Advanced Organic Chemical Materials,Wuhan 430062,China; 2.Key Laboratory of Fen-o&Piezoelectric Materials and Devices of Hubei Province. Faculty of Physics and Electronic Science,Hubei University,Wuhan 430062,China; 3.Faculty of Materials Science and Engineering,Hubei University,Wuhan 430062,China) Abstract:We uses the traditional solid—state reaction method to prepare the ceramic samples.The result of XRD displays the composition of the sample;the value of impedance Z can be got by impedance spectroscopy measure;the changing curve of permittivity and dielectric loss(tan8)with the temperature changing under different frequency can be obtained through spectroscopy LCR measure methods;the value of activation energy can be got by calculating.The result shows that in 950 oC calcining.1 100℃and 1 1 50 sintering. dielectric loss(tan8)is 10~orders of magnitude.Impedance spectroscopy measure shows that the two groups of samples Z plots.the maximum real part is more than 10 Q.the values of activation energy are more than 1 eV,calculated by the Z plots.Results show that the NaBiTi6 O14 is a kind of suitable for high temperature and high frequency dielectric materials. Key words:NBT;NaBiTi6 O 14;permittivity;dielectric losses;activation energy 0 引言 铁电、压电材料是一种长期以来备受关注的信息功能材料.在电子信息、集成电路、计算机等多种领 收稿13期:2016 06—27 基金项目:湖北省教育厅重点科研项目(D2016006)资助 作者简介:陈勇(1977-),男,博士,副教授,E-mail:chenyong@hubu.edu.an;曹万强,通信作者,教授,E.mail 第l期 陈勇,等:NaBiTi O。 电子陶瓷的制备与阻抗分析 37 域都有广泛应用,是许多新型电子元器件的基础材料 1引.随着环保和可持续发展的要求.研发新型环境 友好的陶瓷电介质是大势所趋.同时,铁电、压电陶瓷在电子技术中的应用非常广泛,市场巨大.但是在 目前看来,含铅的铁电、压电陶瓷在市场中占有极其重要的统治地位.这种PZT基材料给环境带来沉重 的负担,其含有毒的PbO质量百分比通常在50%以上,这对人体和环境造成很大的危害.因而.发展无 铅铁电陶瓷介质和压电陶瓷材料就成为了当前铁电陶瓷材料一项亟待解决的重要课题.NBT(Nao Bi 一 TiO )基陶瓷材料是一种重要的无铅压电陶瓷材料,介电性能包括:介电常数较小、漏导低、低的介电损 耗(高频及低频下)和较高的电容温度稳定性等 .使其广泛应用于制备陶瓷电容器、探测器、PTC热 敏电阻等,由于环境友好和介电性能良好,NBT基陶瓷材料值得进一步的深入研究.NBT是典型的钙钛 矿结构,其中钠离子和钛离子位于四面体顶点处,氧离子位于面心,钛离子位于体心.由于NBT的正八 面体结构,导致自发双极子电矩的产生,这就使得晶体具有铁电性能.同时.铋离子和铅离子有相同的外 层电子结构。与氧离子结合容易形成非对称共价键,这个非对称的共价键有利于形成稳定的铁电性能. 虽然NBT的铁电性能很好,高频特性也很优良,被认为是最有应用前景的无铅压电材料.但是其铋元素 的易挥发特性,使得在压电和电容的应用上有高漏导率¨8 .为了解决这个问题,我们研究了一种新型的 NBT基陶瓷NaBiTi O ,制备样品的相关的化学反应方程式为:1/2Na,CO +1/2Bi,O +6TiO,一 NaBiTi O +1/2C0,.NaBiTi O 打破传统的NBT材料化学配比的方式,减少其中铋的比例,在继承传统 NBT的优点的同时,改善了漏导的问题¨1 “].在性能方面,具有介电常数适中,介电损耗小,以及抗高温 的特性,这利于电子器件集成化的发展.NaBiTi O 可以全面用于陶瓷电容器,特别是耐高温电容器,应 用于混合动力车或电动的车辆和微波陶瓷的电子控制系统[12-131.这对NBT基陶瓷的研究是一种探索性 的、创新性的研究,具有重要的研究意义和应用前景,为寻找性能更好的压电陶瓷材料开辟了新的途径. 1 实验过程及原料选择 实验中采用传统固相反应法,在不同烧结温度条件下制备 出NaBiTi O 陶瓷样品.对NaBiTi O 陶瓷的介电性能进行研 究,包括介电常数、介电损耗以及活化能.实验相关的化学反应 方程式为:1/2Na,CO +1/2Bi2 03+6TiO2 NaBiTi6 Ol4+ 1/2CO,,采用的化学试剂如表1所示,实验的基本的流程如 下图1所示.对预烧粉体用自动x线衍射仪(D/MAX3C型) 进行结构分析,烧结好陶瓷片用SEM(JSM6510LV型)分析 不同条件下制备的陶瓷片的表面形貌,对镀银后的样片,用 阻抗谱分析仪(Hp 4192 A型)测量烧结温度为1 100 qC和 1 150℃的样品的介电常数及介电损耗,并计算其活化能,运 用ZView进行数据处理得到阻抗图谱. 表1 实验中选取的试剂及纯度 名称 分子式分子量/(g/mo1)规格 百分含量/% 状态 2测试结果分析与讨论 2.1 xI 测试分析 实验采用X射线衍射仪分析陶瓷样品 图 实验流程图 的结构和物相组成,得到XRD图谱,Cu作为发射源,扫描速率为 =8 ̄/min,扫描范围是0。~90。.图2显 示的是预烧粉体在950℃下预烧4 h,成型的样品在1 100℃和在1 150℃下烧结的X线衍射谱.对比标准 卡,表明预烧粉体和烧结后的样品都是单相,峰都是属于NaBiTi O ,最强峰在30.0~30.5℃之间. 38 湖北大学学报(自然科学版) 第39卷 2.2介电常数分析陶瓷材料的介电常数是表示在电场的作 用下.电介质的电位移随电场强度改变的常数,体现材料的介 电性能,通常用 来表示.不同用途的陶瓷材料要求的介电常 数差异很大,因而介电常数不是判断材料介电性能好坏的标 尺.比如,介电常数较大的材料可应用于扬声器等器件;介电常 数较小的材料可应用在高频元器件方面.总的来说,无论介电 常数大小都可适用于不同场合.研究介电响应及其在各种条件 下的变化,可以得到关于铁电体结构、缺陷和相变的重要信息. 本文中的介电常数是指相对介电常数( ),相对介电常数 受到陶瓷元件的电容C(单位:F),电极面积s(单位:in )和电 极间距d(陶瓷厚度,单位:m)的影响, 为常数,函数关系式为: o ̄r — 。 C :.2a/(。) 图2 NaBiTi O 粉体预烧和烧结后 的XRD图 4 "rrkdU (1) 本实验中采用Hp4192A阻抗分析仪测试样品在不同的烧结温度和频率下,介电常数与温度的关 系,如下图3和图4所示.由图3可以看出,从10 c【二到50 G(=,随着温度的上升,介电常数 急剧降低,继 续升温,介电常数 ,有细微的上升趋势,直到323 (居里点)左右,停止上升,到450 前,介电常数 缓慢下降,450℃以后,介电常数s 急剧上升,且随着频率的增加, ,逐渐降低.如图4所示,从10℃到 334 qC(居里点)。不同频率下,介电常数 大小和上升趋势均一致,保持缓慢上升状态.大约334 oC(居 里点)以后,不同频率下的曲线出现分歧点,频率越大,介电常数越小.且随着温度的上升,介电常数逐 渐减小,在700~800℃逐渐趋于平稳.对比两个图分析得出,烧结温度从1 100℃上升到1 150℃,居里 温度就从323℃上升到334 oC.且对于两种不同的烧结温度,相同温度情况下,频率越大,介电常数越 小.同时,1 150℃烧结温度条件下的样品的介电常数大于1 100℃烧结温度条件下的介电常数. temperature/*C temperature/ ̄C 图3烧结温度为1 100 oC,NaBiTi O。 的介电常数 图4烧结温度为1 150℃,NaBiTi O 的介电常数 2.3介电损耗分析一介电损耗即在电压作用下所引起的能量损耗,是材料的介电性能的判断标准之 ,其值越小,材料的性能就越好,一般用正切值tan3柬表示.在压电陶瓷中,影响tan6的因素主要有下 面几个方面:(a)陶瓷内的极化速度跟不上材料上所施加的电压变化,造成滞后,就会导致介电损耗: (b)材料内有一定的电导因而存在漏电流;(C)工艺原因导致材料构架不均匀_J . 图5、图6是分别在烧结温度为1 100℃和1 150 条件下介电损耗tan6随温度变化的情况.当烧 结温度为1 100 oC时,在25℃以前,介电损耗tan6有一段急剧减小的区间,随后趋于平稳.335 oC以上。 不同频率下的介电损耗tan6急剧上升.当烧结温度为1 150℃时,在低于335℃温度的情况下,不同频 率下的介电损耗tan6的正切值几乎保持稳定.335℃以上,不同频率下的介电损耗tan6的正切值急剧上 升.综合来看,介电损耗tan6在25℃到335 之间,几乎是稳定不变的,达到335 及以后,介电损耗急 速增大.且随着频率的增大,在相同温度情况下介电损耗tan6及其正切值越小. 2.4活化能计算NaBiTi O. 陶瓷的活化能可以通过z 图用Arrhenius公式模拟计算出来,活化能的 大小可以表征材料导电性能,一般情况下,活化能大于0.5 eV为电介质,小于0.5 ev为导体|1 .通过阻 第1期 陈勇,等:NaBiTi O 电子陶瓷的制备与阻抗分析 39 抗分析仪中的图像,可以计算出电容,电阻,电导率,具体公式如下: temperature/*C temperature/'C 图5烧结温度为1 100 ̄C,NaBiTi 0。 的介电损耗 图6烧结温度为1 150 ̄C,NaBiTi 0 的介电损耗 R: : &JC 1T, (2) 1 (3) log 。g (4) Ea=0.198 42・I k (5) 其中,lkl表示阿仑尼乌斯图中的斜率. 阻抗谱分析是用来解释电子陶瓷晶粒与晶界、电极对 陶瓷电学性能影响的一种分析方法,通过等效电路的形式 来模拟陶瓷晶粒晶界的电容和电阻,如图7、图8所示,样品 通过阻抗谱分析仪,得到了两组组分的近似电阻,为我们进 一步研究陶瓷的性质提供了方便.从图7、图8可以看出,两 组样品的阻值随着温度的增加变小,但都超过了10 Q,通 过以上公式的计算,可得出活化能与温度的关系,如图9所 示.NaBiTi O 的活化能计算结果为:烧结温度为1 100℃ 的样品的活化能为1.037 eV,烧结温度为1 150℃的样品 活化能为1.55 eV.这个结果表明,活化能随烧结温度上升 而上升.我们推测其原因可能与晶粒尺寸、气孔大小、晶界 分布等随烧结温度改变有关,这些微观变化会增加势垒高 图7烧结温度为¨o0℃时样品的阻抗图 度,从而使活化能改变.同时,这些都表明该材料电阻很大,是良好的电介质材料. Z (×10 ) (×10 K) 图8烧结温度为1 150℃时样品的阻抗图 图9活化能与温度的关系图 湖北大学学报(自然科学版) 第39卷 3 结论 本文中采用传统固相烧结法,对NaBiTi O 无铅压电陶瓷进行了样品制备以及阻抗分析.运用x线 衍射分析了其相图;运用阻抗谱分析仪测得数据,运用SAI得到介电常数( )以及介电损耗(tan3),并 通过计算活化能来表征其导电能力.主要得到以下结论: 1)NaBiTi O 的电学和介电性能已经在很大的温度范围内以及频率范围内用阻抗谱测试了,并表 现出一定的高温高频稳定性.当烧结温度为1150 ̄C时,在335 oC以下,相对介电常数( )随着温度的升 高而升高,并在335℃的时候达到最大值192.随着温度的继续升高,相对介电常数数值下降.温度相同 时,频率越大,介电常数越小. 2)介电损耗tan6在25~335 oC之间,几乎是稳定不变的,达到335 ̄C及以后,介电损耗急速增大. 且随着频率的增大,在相同温度情况下介电损耗tan6及其正切值越小.NaBiTi O。 陶瓷的介电损耗很 低,同时也表现出高温高频稳定性.NaBiTi O, 的活化能较大,是介质陶瓷.其优良的介电性能对NBT基 无铅压电陶瓷材料的开发与研究做出了新的贡献. 4参考文献 [1]Li M,Pietrowski M J,Souza D,et a1.A family of oxide ion conductors based on the ferroelectric perovskite Na0 5 Bi0 5 TiO3 [J].Nature Materials,2014,13(1):31—35. [2]Chen Y,Zhang S,Li Z,et a1.Carrier transport across grain boundaries in polycrystalline silicon thin iflm transistors[J]. Journal of Wuhan University of Technology—Materials Science Edition,2016,31(1):87-92. 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