Ce3+掺杂Na0.5Bi8.5Ti7O27铋层状陶瓷的结构与电性能研究

采用固相法制备了Ce^3+掺杂的Na0.5Bi8.5–xCexTi7O27(NBT-BIT-x Ce,0≤x≤0.1)共生铋层状无铅压电陶瓷,研究了NBT-BIT-xCe陶瓷的结构和电学性能。研究结果表明所有陶瓷样品均为单一的铋层状结构,随Ce3+掺杂量的增加,样品的畸变程度呈现上升趋势,同时陶瓷晶粒的平均尺寸不断减小,介温谱和差热分析结果表明样品的介电双峰均对应于陶瓷内部结构的铁电相变。Ce^3+掺杂可以显著减少陶瓷内部的氧空位浓度以及降低陶瓷的介电损耗,提升陶瓷的压电常数(d33),当x=0.06时,陶瓷的综合电性能最佳:压电常数(d33)达到27.5 pC/N,居里温度(TC)达到658.2℃,介电损耗(tanδ)为0.39%。

Cu^(2+)调控MPB对NBT基陶瓷压电性能的影响

采用传统固相法制备(Na_(0.47)Bi_(0.47)Ba_(0.06))Ti_(1-x)Cu_(x)O_(3)(NBT-6BT-xCu^(2+),0≤x≤0.025)无铅压电陶瓷。研究了不同含量Cu^(2+)对NBT-6BT-xCu^(2+)陶瓷样品结构以及电学性能的影响。SEM结果显示陶瓷晶粒的大小与Cu^(2+)掺入量有关;XRD数据表明Cu^(2+)可以固溶进陶瓷晶格,并且所有样品均为钙钛矿结构;对XRD进行Rietved全谱拟合后发现,所有陶瓷样品具有单斜(Cc)和四方(P4bm)两相,均位于准同型相界(MPB);Cu^(2+)的掺入对MPB处Cc和P4bm相含量造成影响,使得压电和铁电性能增强。在x=0.015时,样品具有最佳的电学性能:压电常数(d_(33))达到178 pC/N,剩余极化强度(P_(r))达到42.93μC/cm^(2)。结果表明,Cu^(2+)可以通过调控MPB处相含量,很好地提高(Na_(0.47)Bi_(0.47)Ba_(0.06))TiO_(3)无铅压电陶瓷的电学性能。

W^6+掺杂SrBi4Ti4O(15)-Bi4Ti3O(12)共生铋层状压电陶瓷的结构与电学性能

采用固相法制备了SrBi8Ti(7-x)WxO(27)(SBT-BIT-xW^6+,x=0.00,0.02,0.04,0.06,0.08,0.10)共生铋层状压电陶瓷材料,系统研究了W^6+掺杂对陶瓷样品的微观结构、介电、压电及铁电性能的影响。研究发现所有样品均为单一的m=3.5的共生铋层状结构,且所有陶瓷均有较高致密性,烧结效果较好。拉曼结果表明引入W^6+后优化晶体结构,降低了晶格畸变程度。施主掺杂能有效地降低氧空位浓度,使陶瓷样品介电损耗大幅降低,同时显著地增强了样品的铁电性能和压电性能;当掺杂量x=0.08时,样品的压电常数d(33)由11 pC/N提高到24.1 pC/N,剩余极化强度2Pr由3.72 μC/cm~2提至5.54 μC/cm^2,居里温度Tc由595℃降至554℃。并且当退火温度为500℃时,其d(33)仍保持23.2 pC/N,约为初始值的96.3%。表明该材料在高温领域具有潜在应用价值。

面向材料学研究生的量子力学教学模式探索

量子力学作为一门基础物理课程,在材料科学知识体系中占有重要地位。近年来,材料学的研究进展迅速,对量子力学教学带来了巨大挑战。本文针对材料学研究生的学习和科研需求,基于量子力学与材料学之间的学科关联性,结合景德镇陶瓷大学材料学研究生量子力学课程的实际情况,对教学模式进行改革探索,以期使课程教学为学生科研工作提供有效促进作用。

(0.96NaNbO_(3)-0.04CaZrO_(3))-xFe_(2)O_(3)反铁电陶瓷的介电及储能性能研究

0.96NaNbO_(3)-0.04CaZrO_(3)(简称NNCZ)陶瓷在室温下展现出稳定的双电滞回线,但是其储能密度、储能效率和击穿强度都比较低,限制其成为储能材料。本工作通过掺杂Fe_(2)O_(3),利用Fe^(3+)离子变价的特点,实现NNCZ储能性能的优化。采用传统固相法制备了(0.96NaNbO_(3)-0.04CaZrO_(3))-xFe_(2)O_(3)(简称NNCZ-xFe)反铁电储能陶瓷,并对样品的相结构、微观形貌、电学性能和储能性能进行了表征,重点研究了Fe_(2)O_(3)掺杂量对NNCZ陶瓷介电和储能性能的影响规律。结果表明,样品均具有单一的钙钛矿结构,掺杂Fe_(2)O_(3)能明显降低NNCZ陶瓷的烧结温度,晶粒平均尺寸随着掺杂量增大先减小后增大,掺杂量x=0.02时,晶粒平均尺寸最小(5.04μm),且具有较好的储能性能。室温下,NNCZ-0.02Fe击穿强度为230kV/cm,击穿前的有效储能密度和储能效率分别为1.57J/cm^(3)和55.74%。在125℃和外加电场180kV/cm下,NNCZ-0.02Fe的储能密度为4.53J/cm^(3)。掺杂Fe_(2)O_(3)使NNCZ陶瓷的烧成温度降低,氧空位的迁移速率下降,抑制晶粒的长大,同时降低了介电损耗,使得击穿强度增加;适量氧空位钉扎使得反铁电相向铁电相相翻转变得困难,避免出现哑铃状双电滞回线,从而提高储能效率。本研究结果表明NNCZ-xFe在电介质储能领域具有潜在应用价值。

Cu/Nb共掺杂BaBi_(4)Ti_(4)O_(15)-Bi_(4)Ti_(3)O_(12)新型共生铋层状压电陶瓷

通过传统固相法合成了具有超晶格结构的Ba Bi_(8)Ti_(7-x)(Cu_(1/3)Nb_(2/3))_(x)O_(27)(简称:BBT-BIT-x(Cu_(1/3)Nb_(2/3))共生陶瓷。结果表明,BBT-BIT-x(Cu_(1/3)Nb_(2/3))陶瓷的电学性能得到了有效地改善:随着x的增加,介电损耗呈现先减小后增大的趋势,居里温度逐渐增加(Tc:483~494℃);压电常数和剩余极化强度都呈现出先增大后减小的趋势,其中x=0.035时压电常数和剩余极化强度同时达到最高值分别为d_(33)=18 p C/N,2P_(r)=16.5μC/cm^(2)。此外,BBT-BIT-0.035(Cu_(1/3)Nb_(2/3))陶瓷具有良好的热稳定性,在400℃/0.5 h下压电常数仍有14 p C/N,是起始值的82.4%,这有利于在较高温度的环境下工作。

烧结工艺对(NaBi)_(0.425)(KCe)_(0.075)Bi_(2)Ta_(2)O_(9)陶瓷的电学性能影响

采用传统固相法制备(NaBi)_(0.425)(KCe)_(0.075)Bi_(2)Ta_(2)O_(9)(NBTO-0.075KCe)无铅压电陶瓷,系统分析不同烧结工艺对NBTO-0.075KCe陶瓷电学性能的影响。XRD结果显示所有陶瓷样品均生成了m=2的铋层状结构化合物。随着烧结温度的升高,陶瓷晶粒不断长大。当烧结温度为1150℃时,陶瓷样品的体积密度和电学性能达到最佳:ρ=9.10 g·cm^(-3),εr=566,Ea=1.34 eV,Pr=6.70μC·cm^(-2),d_(33)=19.0 pC/N。通过进一步调控烧结气氛,结果表明在N_(2)气氛中1150℃烧结,陶瓷样品的氧空位浓度减少,激活能和压电铁电性能进一步得到了提升:Ea=1.55e V,Pr=10.62μC·cm^(-2),d_(33)=19.6 p C/N。

La^3+掺杂Na0.5Bi2.5Nb2O9陶瓷的结构和电学性能研究

采用传统固相法制备了(Na0.5Bi0.5)1-xLaxBi2Nb2O9(NBN-x La^3+,x=0.00,0.04,0.08,0.16,0.24,0.32,0.40)陶瓷,分析了稀土离子La^3+掺杂对Na0.5Bi2.5Nb2O9陶瓷的相结构、微观结构和电学性能的影响。XRD和拉曼结果表明La^3+成功进入NBN晶格内部并减弱了结构的正交畸变。La^3+掺杂引起的结构变化和氧空位浓度的降低使得陶瓷样品更易于被极化,压电活性提升。当x=0.24时,陶瓷的电学性能达到最佳:Tc=647℃,εr=328,tanδ=1.09%,d33=22.8 p C/N,Qm=3259。NBN-0.24La^3+陶瓷压电常数d33在高温下表现出良好的温度稳定性,样品在500℃下退火2 h,压电常数d33仍能保持在20.3 p C/N,为初始值的89%。

NaNbO_3在储能和光催化领域的研究进展

随着世界人口的增长,能源需求和环境保护的矛盾越来越明显,亟须清洁能源替换化石燃料来缓解,但是很多清洁能源是间歇式的,不能持续为人类提供电源,通过高效储能设备可以解决这个问题,所以高储能密度材料的研发成了热点。另外利用太阳能通过光催化制备可再生能源氢和由CO2转化的可燃碳氢化合物,以及污水的光催化降解也是缓解能源紧张的方案。本文综述了反铁电材料NaNbO3(NN)近些年在储能性能和光催化领域的研究现状。NN在储能领域主要开展了以下工作:以NN为基的储能陶瓷、NN作为弛豫剂改性铁电储能陶瓷、以NN纳米颗粒和纳米线作为高聚物聚偏二氟乙烯(PVDF)填料的储能薄膜。研究者们主要通过设计异质结、表面修饰、掺杂和形貌控制来提高NN光催化性能,且主要处理对象为有机物降解,对制氢和CO2转变可燃碳氢化合物研究较少。NN作为储能材料与铁电材料相比还有很多的提升空间,NN作为光催化剂应该加强在可再生能源方面的研究和解决光催化剂的回收问题。

Ta^5+掺杂SrBi8Ti7O(27)共生铋层状压电陶瓷的结构与电学性能研究

采用固相法制备了高价Ta^5+离子掺杂的SrBi8Ti(7-x)TaxO(27)(SBT-BIT-xTa^5+,0≤x≤0.10)共生铋层状压电陶瓷材料,系统研究了Ta^5+掺杂对陶瓷样品的结构与电学性能的影响。结果表明所有样品均为单一的m=3.5的共生铋层状结构陶瓷。适量的Ta^5+的掺杂使得陶瓷样品的晶粒尺寸细化、介电损耗降低、压电常数增大、剩余极化强度增大,当掺杂量x=0.04时,样品的压电常数达到最大值,d(33)=17 pC/N,而剩余极化强度在x=0.06时达到最大值,2Pr=3.0μC/cm^2。此外,热稳定性研究显示该陶瓷具有较好的压电稳定性,表明该材料在高温领域中具有良好的应用前景。

Na0.5Bi8.5Ti7O27共生铋层状压电陶瓷的电导和弛豫机制研究

铋层状压电陶瓷在高温电子器件领域中占有十分重要的,其高温电导和弛豫行为对陶瓷的电学性能有着直接影响。本文采用固相法制备了Na0.5Bi8.5Ti7O27共生铋层状无铅压电陶瓷,通过X射线衍射、X射线光电子能谱以及高温阻抗等测试手段,系统地研究了陶瓷内部的缺陷与其电导和弛豫的内在联系。结构分析表明陶瓷样品形成了单一的铋层状结构,其内部存在少量的Ti3+离子;阻抗分析表明在400-620℃温度范围内,电导机制源于氧空位一级电离的贡献,其电导激活能为1.11 eV,表现为单一的电导机制,而弛豫机制在相同的温度范围内表现出两种不同机制,在400-540℃温度范围内,弛豫机制源于氧空位的短程跃迁,其弛豫激活能为1.12 eV,在540-620℃温度范围内,弛豫机制归于Ti离子的变价,其弛豫激活能为0.73 eV。

Mg^(2+)掺杂对BBTI-BIT陶瓷的结构与电学性能影响的研究

采用固相法制备BaBi_(8)Ti_(7-x)Mg_(x)O_(27-δ)(x=0,0.2,0.4,0.6,0.8)共生铋层状无铅压电陶瓷样品,研究Mg^(2+)含量对陶瓷样品的结构、电学性能及其温度稳定性的影响。结果表明:所有陶瓷样品均呈单一的相结构;随着Mg^(2+)含量的增加,介电常数与介电损耗均呈现减小的趋势,样品在高温下阻抗和激活能均增大。此外,一定含量的Mg^(2+)会使晶粒由片状转为颗粒状等轴晶粒,这有利于陶瓷样品压电性能的提升。当x=0.6时,综合电性能达到最佳,居里温度约为480℃;压电常数为18.8 p C·N^(-1),约为未掺杂样品的250%。

晶粒尺寸对钛酸铋基无铅压电陶瓷的结构与性能影响

近年来随着电子元器件的微型化趋势,电介质陶瓷材料的晶粒尺寸效应也受到了广泛的关注。本实验系统地研究了0.94Na0.5Bi0.5TiO3-0.06BaTiO3(NBT-6BT)陶瓷的晶粒尺寸效应,利用一步烧结与两步烧结法制备出晶粒尺寸为0.72~1.84μm的NBT-6BT陶瓷,研究了晶粒尺寸效应对陶瓷的晶体结构、介电、压电以及铁电性能的影响。结果表明,晶粒尺寸的变化会引起晶格常数的变化,并在晶粒尺寸为1.24μm时,结晶度最佳,相对介电常数与压电系数以及机电耦合系数分别达到最大值(εr=2405、d33=150 pC/N和Kp=29.5%)。NBT-6BT陶瓷的剩余极化强度Pr随晶粒尺寸的增大而提高,而矫顽场Ec呈现出相反的趋势。实验研究表明控制铁电材料的晶粒尺寸是获得优异的综合性能的有效手段。

不同烧结气氛对Bi_(0.47)Na_(0.47)Ba_(0.06)Cu_(0.015)Ti_(0.985)O_(3)陶瓷微观结构与电性能的影响

在这项研究中,通过传统固相法得到了Bi_(0.47)Na_(0.47)Ba_(0.06)Cu_(0.015)Ti_(0.985)O_(3)(BNBCT)无铅压电陶瓷。系统研究了氧气氛围(BNBCT-O_(2))、空气氛围(BNBCT-Air)、氮气氛围(BNBCT-N_(2))对BNBCT陶瓷的结构与电性能的影响。X射线衍射(XRD)结果显示所有样品都只生成了钙钛矿结构。XRD精修结果则说明BNBCT-O_(2)陶瓷具有很强的晶格失序。复阻抗图谱、电响应活化能、电导率活化能以及O1s的X射线光电子能谱(XPS)反映出氧空位的浓度会随着烧结气氛的改变而改变。当烧结氛围中氧浓度过高时,样品中的氧空位浓度很容易被抑制。相比于BNBCT-Air与BNBCT-N_(2)陶瓷,BNBCT-O_(2)陶瓷表现出最高的压电常数(d_(33)=227 pC·N^(-1))及最大的剩余极化强度(P_(r)=31.9μC·cm^(-2))。这些结果均显示出BNBCT陶瓷的微观结构与电性能和氧空位浓度有关,而氧空位又能被烧结氛围所调控。所以,通过改变烧结氛围来提升Bi_(0.47)Na_(0.47)Ba_(0.06)Cu_(0.015)Ti_(0.985)O_(3)基陶瓷的压电性能是一种可行的方法。

Mn掺杂对Bi_(7)Ti_(4.5)W_(0.5)O_(21)共生铋层陶瓷微观结构和电学性能的影响

通过传统固相法合成了Bi_(7)Ti_(4.5-x)Mn_(x)W_(0.5)O_(21)(BTW-BIT-x Mn)共生铋层状结构陶瓷,并对其结构和电学性能进行了系统的研究。XRD和SEM结果显示,所有组分均形成单一的铋层状结构陶瓷,并且Mn离子掺杂抑制了晶粒的长大。适量的Mn离子掺杂能使陶瓷样品的电学性能提升,并且在Bi_(7)Ti_(4.45)Mn_(0.05)W_(0.5)O_(21)样品获得最优的电学性能,其压电常数d_(33)高达19.3 pC/N,居里温度提升至701℃,在500℃电阻率高达2.1×10^(8)Ω·cm。通过Bi_(7)Ti_(4.5-x)Mn_(x)W_(0.5)O_(21)样品的退火曲线分析,Mn离子掺杂后的样品在550℃时,都保持了初始值80%以上,说明具有该材料具有良好的热稳定性。所有研究结果表明BTW-BIT-xMn陶瓷在高温压电领域运用有很大的潜力。

锰掺杂对BaBi_(8)Ti_(7)O_(27)无铅压电陶瓷电学性能的影响

研究了MnCO_(3)掺杂对钛酸铋钡BaBi_(8)Ti_(7)O_(27)无铅陶瓷的结构与电学性能的影响,采用常规固体反应法制备了BaBi_(8)Ti_(7)O_(27)-xMnCO_(3)(x=0,0.015,0.03,0.06,0.12,0.16,0.20 wt.%)。X射线衍射图显示,所有的成分都是单一稳定相,晶粒生长均匀,片状明显,且随着掺杂量的增加可以观察到MnCO_(3)显著地促进晶粒生长。与此同时,MnCO_(3)添加降低了陶瓷的电导率并有效地提高了激活能。而当掺杂量为0.16 wt.%时,陶瓷压电性能d33达到最高的22.8 pC/N,相比未掺杂样品材料的压电性能(6.7 pC/N),提高了三倍以上。

氧空位对0.94Na0.5Bi0.5Ti0.99Cu0.01O3-0.06BaTiO3无铅压电陶瓷的温度稳定性的影响

钛酸铋钠陶瓷因具有出色的电性能,被认为是极有可能取代Pb(Zr,Ti)O3(PZT)铅基材料的无铅压电材料之一。然而,其较差的温度稳定性限制了实际应用。实验采用淬火工艺提高0.94Na0.5Bi0.5Ti0.09Cu0.01O3-0.06BaTiO3无铅压电陶瓷的温度稳定性,同时,研究淬火对陶瓷样品的电学性能的影响。结果表明,淬火后样品在保留较高压电活性(147pC/N)的基础上,退极化温度得到了极大地提升,从78℃提升至135℃。X射线电子能谱等分析技术表明,淬火增加了样品的氧空位浓度,导致晶格畸变的增加与畴壁的钉扎,从而提高了样品的温度稳定性。

W^(6+)掺杂对Na_(0.5)Bi_(2.5)Ta_2O_(9)陶瓷的结构与电学性能影响

采用传统固相法制备Na_(0.5)Bi_(2.5)Ta_(2-x)W_(x)O_(9)(NBTO–x,0≤x≤0.05)无铅压电陶瓷,研究W^(6+)掺杂对NBTO陶瓷结构和电学性能的影响。XRD结果显示,所有陶瓷样品均生成了m=2的铋层状结构化合物,随着掺杂量的增加,样品的正交畸变先减小后增大;W^(6+)掺杂提高了样品的压电与铁电性能,当x=0.03时,样品的综合性能达到最佳:T_(C)=755℃,tanδ=0.393%(600℃),d_(33)=13.9 pC/N,P_(r)=7.51μC/cm^(2);NBTO(x=0.03)陶瓷在600℃下退火1 h,其d_(33)仍高达12.8 pC/N,约为初始值(d_(33)=13.9 pC/N)的92.1%,表现出良好的温度稳定性。

K/Ce离子共掺对Na_(0.5)Bi_(2.5)Ta_(2)O_(9)陶瓷的结构与电学性能影响

采用传统固相法制备(NaBi)_(0.5-x)(KCe)xBi2Ta_(2)O_(9)(NBTO-x,0≤x≤0.15)无铅压电陶瓷,研究K/Ce离子含量对NBTO陶瓷结构和电学性能的影响.结果表明:所有陶瓷样品均生成了m=2的铋层状结构化合物,且未发现其他明显杂峰;随着K/Ce离子含量的增加,样品的Curie温度T_(C)逐渐降低;K/Ce离子掺杂提高了样品的压电性能,压电常数d_(33)随掺杂量提高呈现出先升高后降低趋势,当x=0.075时,样品的综合性能达到最佳:d_(33)=19.0 pC/N,Curie温度T_(C)=735℃,介电损耗tanδ=0.137%,体积密度ρ=9.113 g·cm^(-3);NBTO(x=0.075)陶瓷在600℃退火2 h,其d_(33)仍高达17.8 pC/N,约为初始值(d_(33)=19.0 pC/N)的93.7%,表现出良好的温度稳定性.

A位阳离子缺位对(NaBi)0.47Ba0.06TiO3无铅压电陶瓷结构和性能的影响

采用传统固相法制备A位阳离子缺位的(NaBi)xBa0.06TiO3(NxBxT–6BT)陶瓷,研究了Na^+和Bi^3+的缺失对材料结构和压电性能的影响。结果表明:各组分陶瓷样品位于由单斜相(Cc)和四方相(P4bm)构成的准同型相界区域内,随着Na^+和Bi^3+含量的减少,样品逐渐由单斜相转变为四方相,Td明显增加(由90℃增至160℃),其中N0.32B0.32T–6BT陶瓷的d33在160℃时仍有23 pC/N,表明Na^+和Bi^3+的缺失可以明显提高退极化温度,扩大材料的应用范围。