Ta掺杂钛酸镧陶瓷的铁电和介电性能研究

作者:冉少念;陈刚;符春林;蔡苇;向炼 刊名:压电与声光 上传者:吴海燕

【摘要】采用传统固相反应法制备La2Ti2-xTaxO7(Ta摩尔分数x=0、0.1、0.2、0.3)陶瓷,对其晶体结构、表面形貌、铁电性能和介电性能进行了研究,实验结果表明,Ta掺杂La2Ti2O7陶瓷,Ta5+取代B位的Ti 4+,形成La2Ti2-xTaxO7固溶体,提高钛酸镧陶瓷的铁电和介电性能,在x=0.2时,La2Ti2-xTaxO7陶瓷的铁电性能和介电性能达最大值(剩余极化强度Pr=0.3μC/cm2,介电常数εr=5 600)。同时研究发现该陶瓷在高频区性能稳定。

全文阅读

0引言随着高新技术的发展,高温压电陶瓷被广泛应用于航空航天、核能、冶金、石油化工、地质勘探等许多特殊领域,但目前具有性能优良,压电系数d33>30pC/N、使用温度t>400的高温压电陶瓷材料少[1-2]。La2Ti2O7陶瓷作为一种优良的介质材料,其居里温度TC高达(14615),但d33仅有2.6pC/N[3]。掺杂是调节材料性能的一种常用手段,据报道Ta元素的掺杂可提高陶瓷的压电性能和增大介电常数等[4-8],而关于Ta掺杂对La2Ti2O7陶瓷的晶体结构、介电频率和铁电性能等方面的研究未见报道。本文采用传统固相反应法制备Ta掺杂La2Ti2O7陶瓷,研究其晶体结构、铁电性能和介电性能。1实验过程1.1陶瓷样品制备采用传统固相反应法制备La2Ti2-xTaxO7(Ta的摩尔分数x=0.00.3)陶瓷。以分析纯La2O3(99.99%)、TiO2(98%)和Ta2O5(99.5%)为原料,按比例称量后以锆球为研磨体球磨2h,干燥后在1150下预烧3h。将预烧后的粉体再次球磨2h,干燥后加入6%的石蜡造粒,在15MPa下压制成10mm、厚1.01.3mm的圆片。将圆片排胶后,在1350下保温3h烧成掺钽的钛酸镧陶瓷试样。1.2结构分析与性能测试采用丹东方圆XD-2700型X线衍射仪分析陶瓷的晶体结构(测试条件:Cu靶,电压36kV,电流20mA);采用日本日立公司S-3700N扫描电子显微镜(SEM)来观察陶瓷表面形貌和晶粒大小;用德国aixACCT公司TFAnalyzer2000铁电分析仪测试样品的电滞回线。为测试试样的介电性能,将试样抛光后涂上导电银浆,在830下烧银15min,采用安捷伦HP4980A型LCR仪在-50160温度范围内测试陶瓷试样的电容C、介电损耗tan随温度t的变化曲线(介电-温度谱)。试样的相对介电常数r=Cd0A(1)式中:0=8.55pF/m为真空介电常数;d为试样厚度;A为试样面积。采用安捷伦HP4980A型LCR仪在室温和1V交流电压下测量试样不同频率下的电容和损耗。2实验结果与讨论2.1晶体结构图1为La2Ti2-xTaxO7陶瓷的XRD图谱。由图可看出,随着Ta掺量的微小变化,其主晶相是A2B2O7的焦绿石结构,即Ta掺入La2Ti2O7陶瓷晶格中形成固溶体。随着Ta掺杂的变化,在x=0.2时杂峰最少,随着掺杂量的增加杂峰又开始增加,其原因可能是由于掺入的Ta超过了其在陶瓷中的固溶度,多余的Ta没有进入固溶体晶格,而与其他元素形成杂相。图1La2Ti2-xTaxO7陶瓷的XRD图谱2.2表面形貌图2为La2Ti2-xTaxO7陶瓷的SEM图。由图可知,纯La2Ti2O7陶瓷和掺Ta的La2Ti2-xTaxO7陶瓷均较致密。与纯La2Ti2O7陶瓷相比,随着Ta量的增加,La2Ti2-xTaxO7的陶瓷晶粒尺寸总体趋于减小,说明Ta掺入可细化陶瓷的晶粒。同时陶瓷晶粒形状也发生微小变化,纯钛酸镧陶瓷的晶粒形状近似为球状,晶粒尺寸为(15)m,随着掺Ta量的增加,在x=0.2时出现了较多的片状晶粒。图2La2Ti2-xTaxO7陶瓷的SEM图2.3铁电性能图3为La2Ti2-xTaxO7陶瓷的电滞回线图。由图可看出,随着掺Ta量的增加,陶瓷的铁电性增强。当x=0.2,电场强度E=40kV/cm时,样品的剩余极化强度Pr=0.3C/cm2(可能是测量E不够导致Pr小),继续增加掺Ta量,铁电性又急剧下降,这可能与Ta掺入使陶瓷晶粒细化而导致极化反转较难有关。图3La2Ti2-xTaxO7陶瓷的电滞回线图2.4介电性

参考文献

引证文献

问答

我要提问