铁电陶瓷

第四章铁电陶瓷

一、教学内容及要求

掌握铁电体的基本概念，理解电滞回线的形成，理解BaTiO3的结构与自发极化特性以及其介电性能的特点，掌握电畴的基本概念，电畴的成核与生长过程，180°畴和90°畴的异同。理解居里温区的相变扩张的机理，几种相变扩散的异同。掌握展宽效应，移动效应，重叠效应的作用机制。掌握铁电老化，铁电疲劳，去老化的概念。

二、基本内容概述

4.1概述

重点掌握的几个概念：自发极化、、剩余极化、、矫顽场、铁电体、电滞回线、电畴、铁电陶瓷

1、感应式极化：离子晶体中最主要的极化形式是电子位移极化和离子位移极化，这两种极化都属于感应式极化，极化强度大小依赖于外施电场。线性关系，E=0，P=0。

2、自发极化：铁电体所表现的自发极化，却是不依赖于外电场，并能随外电场反向而发生反转。非线性关系，E=0，P≠0。

3、铁电体(ferroelectric)：具有自发极化，且自发极化方向能随外场改变的晶体。它们最显著的特征，或者说宏观的表现就是具有电滞回线。

4、电滞回线(hysteresis curve)：铁电体在铁电态下极化对电场关系的典型回线。

5、电畴（domain）：在铁电体中，固有电偶极矩在一定的子区域内取向相同的这些区域就称为电畴或畴。

6、畴壁（domain wall）：畴的间界。

7、铁电相变：铁电相与顺电相之间的转变。当温度超过某一值时，自发极化消失，铁电体变为顺电体。

8、居里温度（Curie temperature or Curie point）：铁电相变的温度。

9、铁电体的分类：1）按结晶化学；2）按力学性质；3）按相转变的微观机构；4）按极化轴多少。

10、铁电陶瓷：在一定温度范围内具有自发极化，且自发极化能为外电场所转向的陶瓷称为铁电陶瓷。

4.2陶瓷的铁电性与铁电陶瓷

1、BaTiO3的结构与自发极化

BaTiO3为钙钛矿结构，由Ba2+离子与O2-离子一起立方堆积，Ti4+处于氧八面体体心。

BaTiO3的相变：立方相、四方相、三角相、正交相。

自发极化产生的原因：Ti4+－O2-间距大（2.005A），故氧八面体间隙大，Ti4+离子能在氧八面体中振动。T>120℃，Ti4+处在各方几率相同（稳定地偏向某一个氧离子的几率为零），对称性高，顺电相。T<120℃，Ti4+由于热涨落，偏离一方，形成偶极矩，按氧八面体三维方向相互传递，耦合，形成自发极化的小区域，即电畴。

CaTiO3：a=3.80 A，Ti4+、O2-间距1.90 A，氧八面体空隙比Ti4+小得多，Ti4+与O2-电子壳层发生强烈渗透，当Ti4+运动时，受到的恢复力很大。无自发极化。

SrTiO3：临界状态

电畴的运动：在外电场的推动下，电畴会随外电场方向转向运动。当外加电场足够强，电畴将尽可能地统一到外电场一致的方向。电畴的反转过程分为新畴成核、畴的纵向长大、畴的横向扩张和畴的合并四个阶段。

2、 BaTiO3的介电性能

介电常数与温度的关系

无论是单晶还是陶瓷，都可在Tc或转变点找到ε的峰值。ε大小可以认为正比于能为单位电场所反转（所定向）的自发极化矢量。

只有自发极化强度大，且又容易为外电场所转向时，ε才大。

a、a轴的ε比c轴大。在电场作用下，极化尽可能沿电场取向。单晶有明显的方向性，说明90°畴壁比180°畴壁更能为一般外电场所运动。或者说与Ps正交的电场更容易使Ps转向，与Ps反平行的电场难以使Ps反转。

b、BaTiO3陶瓷的ε介于单晶的a轴与c轴之间，且峰值不如单晶尖锐。

c、在0℃，-90℃，120℃出现ε的峰值，说明相变点处新畴容易形成，或此时畴壁运动激活能或Ps的定向激活能下降。

d、温度越低，Ps越难定向，或畴壁越难运动，故Tc处ε最大。

e、T>Tc，ε按居里-外斯定律下降。

f、BT陶瓷：陶瓷的ε介乎单晶的a轴和c轴的数值之间；多晶：晶粒随机取向；多畴：多种取向。转变点处峰值不如单晶尖锐：结构：多相体系，晶粒随机取向，不同热膨胀系数，产生内应力：导致Tc分散（居里区）。

g、Tc均为120℃，第二转变点：单晶：0 ℃；陶瓷：≈20 ℃。

●介电常数ε与电场的关系

a、施加交流电场

b、加上一个直流电场

●介电常数ε与频率的关系

●ρ与T的关系：

4.3强介铁电瓷的改性机理

1、对BaTiO3电容器的要求

●介电常数ε：要求在工作温区的ε尽可能高，但ε随温度的变化率

（△ε/ε25℃）要小。ε随电场强度的变化率也要尽可能小。

●介电损耗tgδ：由于BaTiO3电容器主要用于低频电路中起滤波，旁路，隔直流，

耦合等作用，因而，只要tgδ≤3％即可。

●绝缘电阻ρv：T↑→ρv↓，特别是工作在高温（≥85℃），高湿，长期在直流

电场下（1000小时），Ti4＋→Ti3+，造成ρv↓↓，故要求室温ρv≥1012Ω.cm

●抗电强度E b：尽可能提高E b。（因为铁电瓷抗电强度本来低，分散性又大）。

2、铁电瓷改性原理

掌握几个概念：居里点&居里区；异相共存；相变扩散；展宽效应；移动效应；重叠效应。

(1) 居里区与相变扩散

ε按居里区展开的现象，称为相变扩散（diffuse phase transition）或扩散相变。其原因通常归为“异相共存”。

异相共存→Tc分散→居里区→相变扩散（说明材料的Tc或εmax都是一个统计结果。产生上述异相共存的原因分为热起伏，应力起伏，成分起伏，结构起伏等。

●热起伏相变扩散

温度是分子运动的平均动量的量度，在实际材料中，各微区的温度并不一定相同，存在“热起伏”或“热涨落”现象。这种热起伏的微区称为“坎茨格区”，其线度约10～100nm，假设晶粒粒度为1μm，坎茨格区也仅为单个晶粒体积的10-3~10-6，故每个晶粒具有很多坎茨格区。由于各坎茨格区的温度与宏观温度不同，故Tc由一点变成一个区间—居里区。

当T

当T>Tc时，大部分微区属顺电相，故ε↓，但仍然有少量铁电微区，由于定向容易，在一定温区内ε仍较大。但强电场作用也无法使ε达到最大值。

●应力起伏相变扩散

单晶：如果外加压应力在介质各个方向上均衡一致，则居里峰将基本保留原有形状向低温平移。

陶瓷晶粒的随机取向：各晶粒受力并不相同，各Tc移动量不同，因此Tc应随压应力↑而展宽。

多晶陶瓷的晶粒之间存在内应力：晶相，玻璃相，杂质，气孔，晶界的热膨胀系数不同；晶粒的热膨胀各向异性；各种缺陷的存在。

由于受外加压应力作用，立方→四方体积膨胀的形变受到约束，电畴难以运动，故随压应力↑，ε峰值↓。

●成分起伏相变扩散

两种铁电相共存：在BaTiO3的固溶体中，采用Sr2＋，Pb2＋离子等价，等数，等位取代A位的Ba2+离子。BaTiO3，SrTiO3，PbTiO3都属铁电体，但它们的居里点不同，因而形成固溶体后的Tc与其组成有关。从宏观角度看，Ba2+，Sr2＋，Pb2＋离子分布是均匀的，但从微区来看并不均匀，存在成分起伏，因而各微区Tc不同，结果使居里点Tc→居里区，ε峰展宽。

铁电相与非铁电相共存：若加入Hf4＋，Sn4＋，Zr4＋等离子取代BaTiO3中的Ti4+离子，由于BaHfO3，BaSnO3，BaZrO3等属非铁电体，加入量少时会形成铁电相“海”中的非铁电相“岛”，因而使铁电性有所下降，ε峰变低变宽。加入量多时材料失去铁电性。

铁电体与非铁电体共存时相变扩散更加明显。

原因：

●当整个固溶体均为铁电体时，电畴定向过程由于受内电场的相互制约和形变引

起的应力制约，电畴运动的激活能很大，当温度略为偏离Tc，ε便显著下降。

●铁电相与非铁电相共存时，由于少量非铁电相的隔离与缓冲，使上述电场制约

和应力不同程度的削弱，从而使电畴定向激活能↓，因而T偏离Tc时，ε下降慢，从而使ε峰变平。并且，由于非铁电相的存在，有效自发极化强度下降，故居里峰下降。

●结构起伏相变扩散

ABO3钙钛矿结构的A位或B位分别为两种以上不同电价的离子所占据；

具有固定的成分，不是固溶体；

这些不同电价的原子的分布是“无序”的，称为无序钙钛矿结构。各微区，甚至是各元胞的Tc不同，因此出现相变扩散，它与成分起伏相变扩散类似，但产生的原因不同，并且效果更显著，居里区可达数百度。

(2) 铁电陶瓷居里峰的展宽效应

●什么是展宽效应：指铁电陶瓷的ε与温度关系中的峰值扩张得尽可能的宽旷，

平坦，即不仅使居里峰压低，而且要使峰的肩部上举，从而使材料既具有较小

的温度系数αε，又具有较大的ε值。

●展宽效应的获得：前面介绍过相变扩散可使居里区展宽，但这不是唯一的展宽

效应，虽然成分起伏和结构起伏引起的相变扩散作用较明显，但要使居里峰能

大幅展宽，又能具有较大的ε数值，还必须考虑其他效应。

(a) 固溶缓冲型展宽效应：引入展宽剂

(b) 粒界缓冲型展宽效应：铁电陶瓷多晶结构的微粒化，也能起到明显的展宽

效应。

(3) 铁电陶瓷居里峰移动效应

铁电体居里点及其他转变点，随着组成成分的变化，作有规律地移动现象。

(4) 铁电陶瓷重叠效应

当两个转变点相互靠近时，不仅两峰值的高度本身有所提高，且两峰之间的区段也提高，类似于两分立峰的叠加，因而又叫重叠效应。

4.4铁电陶瓷的老化与疲劳现象

1、铁电老化：初生产出来的铁电陶瓷，其某些介质参数会随储存时间逐渐变化，尤其是铁电特性变弱，这种现象就称为铁电老化（ferroelectric aging）。

2、铁电疲劳：初生产出来的铁电材料，在长时间的交变电场作用下，其铁电性随着电场交变次数的增加而削弱称为铁电疲劳（ferroelectric fatigue）。

4.5铁电陶瓷材料确定原则

铁电陶瓷配方的确定原则：先移后展，有所侧重；单独考虑，综合调整。

三、重点、难点分析

1、铁电体的基本概念

铁电体是指具有自发极化，且自发极化方向能随外场改变的晶体。这两个要素缺一不可。也就是说，铁电体所表现的自发极化，是不依赖于外电场，并能随外电场反向而发生反转。P与E具有非线性关系，即E=0，P≠0。铁电体最显著的特征，或者说宏观的表现就是具有电滞回线。

2、电畴的基本概念

在铁电体中，固有电偶极矩在一定的子区域内取向相同的这些区域就称为电畴或畴。如果偶极子全部朝向一个方向（单畴），形成均匀极化，则不稳定，周围空间将储存相当大的静电能量。因此要形成电畴。均匀极化（单畴）的状态是不稳定的。铁电体晶体中存在多个电畴。

比如：对BaTiO3而言，四方相：180°和90°电畴。正交相：60°，90°，120°，180°电畴。三角相：71°，109°，180°电畴。

3、电畴的运动

在外电场的推动下，电畴会随外电场方向转向运动。当外加电场足够强，电畴将尽可能地统一到外电场一致的方向。电畴的反转过程分为新畴成核、畴的纵向长大、畴的横向扩张和畴的合并四个阶段。

●180°畴：反向电场——（边沿、缺陷处成核）新畴——劈尖状的新畴向前端

发展（因180°畴前移速度比侧向移动速度快几个数量级）

●90°畴(新旧畴自发极化方向差90度)的反转类似于180°畴。新畴的发展主

要依靠外电场推动90°畴壁的侧向运动。

●180°畴不产生应力（因自发极化反平行，晶体的形变是同一维）。

●90°畴使晶体内部出现应力。

4、展宽效应，移动效应，重叠效应的作用机制。

展宽效应、移动效应和重叠效应是铁电陶瓷改性的三大效应。

展宽效应又称为压降效应，是指使铁电陶瓷的ε与温度关系中的峰值，扩展得尽可能地宽旷、平坦，这样才能使铁电陶瓷的ε在使用温区内保持较高的稳定性。展宽效应主要依赖于相变扩散、固溶缓冲和粒界缓冲。其中，固溶缓冲和粒界缓冲的展宽效应最为明显。通常，要获得明显的展宽效应，需要在铁电陶瓷中引入展宽剂。这些展宽剂的离子会占据BaTiO3陶瓷的Ba2+或Ti4+位。所有A位的、具有展宽作用的离子，其半径都比Ba2+小；所有占据B位的、具有展宽作用的离子，其半径都比Ti4+大。其本质都是使取代离子所在或邻近的的氧八面体失去铁电性。

铁电体的自发极化不是单一偶极子的个别行为，而是大量偶极子的一致动作，即各偶极子间将相互制约，因而其Tc将由杂质与基质的B—O键贡献共同决定，在折中温度出现统一电畴。所以，掺杂可移动BaTiO3陶瓷的居里点。

重叠效应表象上是转变点的重合，ε峰值的重叠，而本质上是结构上的相互重叠。例如，BaTiO3在室温下主要是四方相，但在四方相的晶粒之中，也可能存在局部的正交或三角相。在外加电场作用下，晶格结构可出现场诱相变，使不同取向晶粒中的B位离子尽可能沿电场定向。

四、典型例题解析

1、何为电畴？电畴是如何形成的，180°畴和90°畴有何异同？

答：在铁电体中，固有电偶极矩在一定的子区域内取向相同的这些区域就称为电畴或畴。

电畴的形成过程：新畴成核、畴的纵向长大、畴的横向扩张和畴的合并四个阶段。

180°畴自发极化方向相反，反平行，在晶体中不产生应力；180°畴前移速度比侧向移动速度快几个数量级。畴壁薄。

90°畴的自发极化方向相互正交，有应力产生。新畴的发展主要依靠外电场推动90°畴壁的侧向运动。畴壁较厚。

2、BaTiO3陶瓷为什么最适合做低频电容器介质？

答：频率特性：f↑，ε↓，tgδ↑。

由于新畴的成核与生长是需要一定时间的，所以ε与f有关。

损耗产生的原因是：①电畴运动：畴壁运动时克服杂质、气孔、晶界的摩擦阻力；

②自发极化反转时，伴随着几何形变的换向，必须克服晶胞间与晶粒间应力作用的反复过程。都要消耗电场能，并以热的形式向空间散逸。反转愈剧烈，次数愈频繁，则tgδ越大。

水晶晶体在不受力时，其正电荷中心与负电荷中心重合，整个晶体的总电矩为零，晶体表面不带电.当晶体受力时,由于形变而导致正负电荷中心不再重合,晶体两端表面就带电了,这种正负电荷中心不重合的现象叫做极化.也有少数压电晶体由于本身内部的特殊结构,在没有外电场的情况下就存在着极化现象,这样的极化为自发极化.这种具有自发极化的晶体中存在一些自发极化取向一致的微小区域,称为电畴.当其被放入电场中后,原来随机混乱取向的电畴就会沿电场方向取向,若电场再反向,自发极化单元也会跟着反向,称之为电滞回线,与铁磁体的磁滞回线形状类似,所以人们把这类晶体称为铁电体(其实晶体中并不含有铁),这个回线就是铁电体的标志.显然,铁电体是压电体中的一种。

所以铁电陶瓷是压电陶瓷的一种。

压电陶瓷的压电原理与制作工艺

压电陶瓷的压电原理与制作工艺 1.压电陶瓷的用途 随着高新技术的不断发展，对材料提出了一系列新的要求。而压电陶瓷作为一种新型的功能材料占有重要的地位，其应用也日益广泛。压电陶瓷的主要应用领域举例如表1所示。

2.压电陶瓷的压电原理 2.1 压电现象与压电效应 在压电陶瓷打火瓷柱垂直于电极面上施加压力，它会产生形变，同时还会产生高压放电。在压电蜂鸣器电极上施加声频交变电压信号，它会产生形变，同时还会发出声响。归纳这些类似现象，可得到正、逆压电效应的概念，即：压电陶瓷因受力形变而产生电的效应，称为正压电效应。压电陶瓷因加电压而产生形变的效应，称为逆压电效应。 2.2 压电陶瓷的内部结构 材料学知识告诉我们，任何材料的性质是由其内部结构决定的，因而要了解压电陶瓷的压电原理，明白压电效应产生的原因，首先必须知道压电陶瓷的内部结构。 2.2.1 压电陶瓷是多晶体 用现代仪器分析表征压电陶瓷结构，可以得到以下几点认识： （1）压电陶瓷由一颗颗小晶粒无规则“镶嵌”而成，如图1所示。 图1 BSPT压电陶瓷样品断面SEM照片 （2）每个小晶粒微观上是由原子或离子有规则排列成晶格，可看为一粒小单晶，如图2所示。 图2 原子在空间规则排列而成晶格示意图

（3） 每个小晶粒内还具有铁电畴组织，如图3所示。 图3 PZT 陶瓷中电畴结构的电子显微镜照片 （4） 整体看来，晶粒与晶粒的晶格方向不一定相同，排列是混乱而无规则的，如图4 所示。这样的结构，我们称其为多晶体。 图4 压电陶瓷晶粒的晶格取向示意图 2.2.2 压电陶瓷的晶胞结构与自发极化 （1） 晶胞结构 目前应用最广泛的压电陶瓷是钙钛矿（CaTiO 3）型结构，如PbTiO 3、BaTiO 3、K x Na 1-x NbO 3、Pb(Zr x Ti 1-x )O 3等。 该类材料的化学通式为ABO 3。式中A 的电价数为1或2，B 的电价为4或5价。其晶胞 （晶格中的结构单元）结构如图5所示。 图5 钙钛矿型的晶胞结构 压电陶瓷的晶胞结构随温度的变化是有所变化的。如下式及图6所示。 PbTiO 3（PT ）：四方相 立方相 BaTiO 3（BT ）：三角相 正交相 四方相 立方相 6 钛酸钡晶胞结构随温度的转变 （2） 自发极化的产生 490 -90℃ 5℃ 120℃

铁电陶瓷

第四章铁电陶瓷 一、教学内容及要求 掌握铁电体的基本概念，理解电滞回线的形成，理解BaTiO3的结构与自发极化特性以及其介电性能的特点，掌握电畴的基本概念，电畴的成核与生长过程，180°畴和90°畴的异同。理解居里温区的相变扩张的机理，几种相变扩散的异同。掌握展宽效应，移动效应，重叠效应的作用机制。掌握铁电老化，铁电疲劳，去老化的概念。 二、基本内容概述 4.1概述 重点掌握的几个概念：自发极化、、剩余极化、、矫顽场、铁电体、电滞回线、电畴、铁电陶瓷 1、感应式极化：离子晶体中最主要的极化形式是电子位移极化和离子位移极化，这两种极化都属于感应式极化，极化强度大小依赖于外施电场。线性关系，E=0，P=0。 2、自发极化：铁电体所表现的自发极化，却是不依赖于外电场，并能随外电场反向而发生反转。非线性关系，E=0，P≠0。 3、铁电体(ferroelectric)：具有自发极化，且自发极化方向能随外场改变的晶体。它们最显著的特征，或者说宏观的表现就是具有电滞回线。 4、电滞回线(hysteresis curve)：铁电体在铁电态下极化对电场关系的典型回线。 5、电畴（domain）：在铁电体中，固有电偶极矩在一定的子区域内取向相同的这些区域就称为电畴或畴。 6、畴壁（domain wall）：畴的间界。 7、铁电相变：铁电相与顺电相之间的转变。当温度超过某一值时，自发极化消失，铁电体变为顺电体。 8、居里温度（Curie temperature or Curie point）：铁电相变的温度。 9、铁电体的分类：1）按结晶化学；2）按力学性质；3）按相转变的微观机构；4）按极化轴多少。

压电陶瓷的种类

压电陶瓷的种类 1 铁电陶瓷ferroelecteic ceramics 具有重铁电性的陶瓷称为铁电陶瓷。从晶体结构来看,铁电陶瓷的晶体的主晶相具有钙钛矿结构,钨青铜结构,铋层状结构和焦绿石结构等。 2 反铁电陶瓷antiferroelectric ceramics 具有反铁电性的陶瓷称为反铁电陶瓷。 3 压电陶瓷piezoelectric ceramics 具有压电效应的陶瓷称为压电陶瓷,由于末经过极化处理的铁电陶瓷的自发极化随机取向,故没有压电性。极化处理使其自发极化沿极化方向择优取向。在撤去电场后,陶瓷体仍保留着一定的总体剩余极化,故使陶瓷体有了压电性,成为压电陶瓷。在高温的高温度梯度场中定向析晶的非铁电极性玻璃陶瓷也具有压电性。 4 钛酸钡陶瓷barium titanate ceramics 钛酸钡陶瓷是一种具有典型钙钛矿结构的铁电陶瓷。它通常是以碳酸钡和二氧化钛为主要原料,预先合成后再在高温下烧结而成的。 5 钛酸铅陶瓷lead titanate ceramics 钛酸铅陶瓷是具有钙钛矿性结构的铁电陶瓷。它通常是由四氧化三铅{或氧化铅}和二氧化钛以及少量添加物预先合成后再在高温下烧结而成的。 6 二元系陶瓷binary system ceramies 二元系压电陶瓷是俩种化学通式ABO3型结构的化学物所形成的固溶体,其中A 代表二价的正离子Pb2+,Ba2+,Mg2+,Ca2+,Sr2+,等或一价正离子K+,Na+等,B代表四价的正离子Zr4+,Ti4+或五价的Nb5+等。最常见的二元系压电陶瓷是PbZrxTi{1-x}O3。通过调节两种ABO3型结构的克分子比,以及用取代元素和添加物改性的方法,可以获得各种不同用途的材料。 7 锆钛酸铅陶瓷Lead zirconate ceramic 锆钛酸铅陶瓷通常简称为PZT陶瓷,这种压电陶瓷目前受到广泛应用。它是PbZrO3和PbTiO3的固溶体,具有钙钛矿型结构,当锆钛比为53/47左右{即共晶相界附近}时,具有最强的压电性能。 8 三元系陶瓷ternary system ceramics 三元系陶瓷通常是在具有钙钛矿性结构的锆钛酸铅{PbZrO3-PbTiO3}中二元系再增加第三种{化学通式为ABO3型}化合物而形成的三元系固溶体。所增加的第三种成分,它们的共同特点是在掺入PbZrO3-PbTiO3之中形成固溶体后不改变整个晶格的钙钛矿型结构。 9 铌酸盐系陶瓷niobate system piezoelectric ceramics 铌酸盐系压电陶瓷是具有氧八面体结构的铁电陶瓷,各种铌酸盐陶瓷分别具有钙钛矿型{如KnbO3},钨青铜型{如便铌酸铅PbNb2O6}和焦绿石型{如Cd2Nb2O7}等结构。它们的居里温度高,介电常数小和声速大,尤其偏铌酸铅的机械品质因数QM 很低,适用于超声检测。 10 电光{透明铁电}陶瓷electeo-optic{transparent ferroelectric}ceramics 通常指掺鑭{La}的锆钛酸铅{PZT}陶瓷等,简称PLZT,另外还有掺铋的锆钛酸铅等,它们都有电光效应。在铁电陶瓷中,电畴状态的变化伴随着光学性质的改变,通过外加电场对透明陶瓷电畴状态的控制,可有电控双折射{细晶陶瓷}和电控光散射{粗晶陶瓷}等特性。

0.9PMN-0.1PT弛豫铁电陶瓷制备及介电性能

0.9PMN-0.1PT弛豫铁电陶瓷制备及介电性能 张崇辉;王晓娟;张晓娟;朱长军 【摘要】铌镁酸铅-钛酸铅陶瓷由于其优异的性能而有着广泛的应用．采用两步法制备了组分为0.9Pb（Mg2/3Nb1/3）O3-0.1PbTiO3（0.9PMN-0.1PT）的弛豫铁电陶瓷，并对其介电-温度特性和热释电特性等进行了研究．结果表明，0.9PM N-0.1PT 陶瓷介电-温度曲线服从 Uchino和 No-mural改进的居里-外斯定理，表现出很强的介电弛豫特性，介电峰明显宽化，频率色散强烈，峰值温度 Tm 随频率增大向高温移动，弛豫因子达到1.89．热释电流密度曲线平缓，在整个加热范围均有电荷释放，室温时热释电系数达到100 pC · m -2 K -1．%The lead magnesium niobate-lead titanate ceramics are extensively use due to their excellent di-electric properties .The relaxor ferroelectricceramic 0.9Pb(Mg2/3Nb1/3)O3-0.1PbTiO3(0.9PMN-0.1PT) was fabricated through two steps method .The dielectric properties ,dielectric constant and loss depend-ent on temperature ,pyroelectric ,were experimentally investigated .The results show that the dielectric constant-temperature curve obey the modified C-W law by Uchino and Nomural .The 0.9PMN-0.1PT ceramic reveal strong dielectric relaxor behavior ,wide dielectric peak ,strong frequency dispersion ,and the peak temperature Tm shift to higher with the frequency increasing ,the relaxor factor is 1 .89 .The py-roelectric curve change slowly and continuously release charges during whole heating process .The pyroe-lectric coefficient is 100pC · m -2 K -1 inroom temperature .

剪切力作用铁电陶瓷相变机制模型建立

剪切力作用铁电陶瓷相变机制模型建立 铁电陶瓷(Pb(Zr,Ti)O3)PZT95/5压力诱导相变，可以将与极化强度相关联的束缚电荷释放出来，实现力—电转换，且相变释放的电荷量，要远远大于传统意义上的压电效应，有着潜在的巨大工程应用背景，因此一直是铁电体研究领域的热点基础问题之一。本文就PZT95/5铁电陶瓷材料在剪切应力作用下的铁电-反铁电相变机制，利用LGD唯象理论并结合Kittel反铁电结构热力学模型，预测剪切应力对PZT95/5铁电材料相变时极化强度、介电、压电及弹性性能的影响，并与实验结果进行对比分析。 关键词：铁电陶瓷，剪切力作用，压力诱导相变 铁电陶瓷(Pb(Zr,Ti)O3)PZT95/5是指Zr和Ti的摩尔比在95/5附近、铁电相(FE)和反铁电相(AFE)共存的一类铁电功能性材料。作为位于FE/AFE相界附近的PZT95/5铁电陶瓷材料，因其FE相和AFE相的Gibbs自由能较为接近，在施加适当的温度、压力或电场之后，能够引发FE AFE相变。尤其是压力诱导FE AFE →相变，可以将与极化强度相关联的束缚电荷释放出来，实现力—电转→相变释放的电荷量，要远远大于传统意义上的压电效应，有着换，且FE AFE 潜在的巨大工程应用背景，因此一直是铁电体研究领域的热点基础问题之一。 传统的高密度致密铁电陶瓷材料由于具有良好的力学与电学性能在实验室与应用领域得到了广泛研究。目前压力载荷下诱导的致密PZT95/5陶瓷→相变的研究大多数集中在静压加载情形，主要包括实验测试不同准静FE AFE 态加载方式（等静压[1-2]，一维应力[3-4]、剪应力[5]等）下铁电－反铁电相变过程中所伴随的宏观性质变化，如介电性能变化、应变、电荷释放率等特征。也有 →相变的影响，学者实验测试温度[6]、电场[7-8]等外界因素对静压力诱导FE AFE 研究结果表明：温度增加降低相变转化压力（也有相反的结论），电场对铁电到反铁电相变具有抑制作用。 →相变先后发展了宏观Landau 在理论研究方面，针对致密铁电陶瓷FE AFE 热力学理论[9]以及微观相变软膜理论[10]等，大量的研究报道指出Landau-Ginzburg-Devonshire(LGD)唯象理论在计算和预测各种外场对铁电材料本征压电、介电、弹性性能的影响方面有较好优越性。目前，对于远离铁电相/反铁电相界面的传统铁电材料(如钛酸钡（BaTiO3）、钛酸铅(PbTiO3)等)的相变特性研究而言，主要相变形式为铁电顺电相变或不同铁电相之间的转变，与此关联的各种不同静态力场作用下或温度变化引起的钙钛矿铁电晶体相变及本征介电、压

特种陶瓷复习题

特种陶瓷复习参考题 1． 特种陶瓷： 采用高度精选的原料，具有能精确控制的化学组成，按照便于进行结构设计及控制制造的方法进行制造、加工的，具有优异特性的陶瓷。主要包括高温、高强、耐磨、耐腐蚀为特征的结构陶瓷及用以进行能量转换的功能陶瓷和生物陶瓷。由于不同的化学组分和显微结构而决定其具有不同的特殊性质和功能，如高强度、高硬度、耐腐蚀、导电、绝缘、磁性、透光、半导体以及压电、铁电、光电、电光、声光、磁光、超导、生物相容性等。由于性能特殊，这类陶瓷要应用于高温、机械、电子、宇航、医学工程等方面，成为近代尖端科学技术的重要组成部分。 2． 说明Al 2O 3陶瓷的晶型，各种晶型的结构。 Al 2O 3同质异晶体主要的三种：α- Al 2O 3，β- Al 2O 3，γ- Al 2O 3。1300℃以上的高温几乎完全转变为α- Al 2O 3。 γ- Al 2O 3属尖晶石型（立方）结构，氧原子形呈立方密堆积，铝原子填充在空隙中。β- Al 2O 3是一种Al 2O 3含量很高的多铝酸盐矿物。其结构由碱金属或碱土金属离子如[]NaO - 层和1112[]Al O +类型尖晶石单元交叠堆积而成，氧离子排列成立方密堆积，Na +完全包含在垂直于C 轴的松散堆积平面内。α- Al 2O 3属三方晶系，单位晶胞是一个尖的菱面体。 3． 说明Al 2O 3的预烧的目的，并说明哪些因素对预烧的影响。 预烧的目的：一是使γ- Al 2O 3全部转变为α- Al 2O 3，减少烧成收缩，二是可以排除Al 2O 3原料中的Na 2O ，提高原料的纯度，从而保证产品的性能。 影响预烧的因素：（1）温度：预烧温度偏低即不完全转变成α- Al 2O 3，且电性能降低；预烧温度过高，粉料发生烧结，不易粉碎，且活性降低。（2）气氛：1450℃以下，不同气氛中预烧的Al 2O 3，其Na 2O 的含量不同。 4． 简要说明Al 2O 3瓷的生产工艺过程。 原料煅烧→磨细→配方→加粘结剂→成型→素烧→修坯→烧结→表面处理。 5． 简述制备透明氧化铝陶瓷的关键，并分析加入MgO 的作用。 （1） 控制氧化铝以体积扩散为烧结机制的晶粒长大过程。若在烧结过程中晶粒生长过快就会产生晶界裂缝，许多气孔被晶粒包围。而且当晶粒生长速度大于气孔的移动速度时，晶体内部包裹的气孔更不易排除。实践表明，加入某些添加物具有抑制晶粒长大的作用。如加入适量的MgO ，能获得透明氧化铝陶瓷。由于加入MgO ，形成MgO ? Al 2O 3尖晶石相在Al 2O 3晶只是表面析出，阻止晶界过快迁移。而且MgO 在高温下比较容易挥发，奶防止形成封闭气孔，因此限制了氧化铝晶粒的长大。MgO 的加入量一般为0.1~0.5%。 （2） 根据用不同波长的单色光通过透明氧化铝陶瓷表明，当气孔大小与波长相等时，光透射主最小。说明气孔的平均尺寸是制作透明陶瓷应该控制的重要因素。 （3） 在工艺上，Al 2O 3的纯度、细度、成型方法、烧结气氛等，对其透光率也的影响。对烧结来说，在氢气（或真空）中烧结，由于氢气渗入坯体，在封闭气孔中，氢气的扩散速度比其它气体大，容易通过Al 2O 3坯体，气孔比较容易排除，从而提高其透光率。 6．简述MgO 陶瓷的主要制造工艺过程。 （1）锻烧分解制取MgO ：从矿物或海水中提取MgO ，大多先制成氢氧化镁或碳酸镁，然后经锻烧分解成MgO 。

铁电陶瓷

铁电陶瓷材料的研究现状 尤欣欣 （渭南师范学院化学与生命科学学院，08级材料化学1班）摘要：本文论述了几种具有代表性的铁电陶瓷材料的研究现状，以及人们在研究过程中产生的新问题。这几种材料主要包括层状铁电陶瓷，弛豫型铁电陶瓷，含铅型铁电陶瓷，无铅型铁电陶瓷，以及反铁电陶瓷材料。最后，对未来的研究与应用前景进行了展望。 关键词：铁电陶瓷；铁电性；钙钛矿；研究 0前言 铁电陶瓷(ferroelectric ceramics)材料，是指具有铁电效应的一类材料，它是热释电材料的一个分支。铁电陶瓷的主要特性为：(1)在一定温度范围内存在自发极化，当高于某一居里温度时，自发极化消失，铁电相变为顺电相；(2)存在电畴；(3)发生极化状态改变时，其介电常数-温度特性发生显著变化，出现峰值，并服从Curie-Weiss定律；(4)极化强度随外加电场强度而变化，形成电滞回线； (5)介电常数随外加电场呈非线性变化；(6)在电场作用下产生电致伸缩或电致应变。其电性能：高的抗电压强度和介电常数。在一定温度范围内(-55～+85℃)介电常数变化率较小。介电常数或介质的电容量随交流电场或直流电场的变化率小。 铁电陶瓷的特性决定了它的用途。利用其高介电常数，可以制作大容量的电容器、高频用微型电容器、高压电容器、叠层电容器和半导体陶瓷电容器等，电容量可高达0.45μF/cm2。利用其介电常数随外电场呈非线性变化的特性，可以制作介质放大器和相移器等。利用其热释电性，可以制作红外探测器等。利用其压电性可制作各种压电器件。此外，还有一种透明铁电陶瓷，具有电光效应，可用于制造光阀、光调制器、激光防护镜和热电探测器等。 目前，全球铁电元件的年产值己达数百亿美元。铁电材料是一个比较庞大的家族，当前应用的最好的是陶瓷系列，其已广泛应用于军事和工业领域。但是由于铅的有毒性及此类铁电陶瓷材料居里温度低、耐疲劳性能差等原因，应用范围受到了限制。因此开发新一代铁电陶瓷材料己成为凝聚态物理、固体电子学领域最热门的研究课题之一。 为此，本文对层状铁电陶瓷、弛豫型铁电陶瓷、含铅型铁电陶瓷、无铅型铁电陶瓷以及反铁电陶瓷材料的研究现状和应用情况进行了综述，为未来的新型铁电陶瓷的研究提供参考。 1层状铁电陶瓷

铁电材料的特性及应用综述

铁电材料的特性及应用综述 孙敬芝 （河北联合大学材料科学与工程学院河北唐山 063009）摘要：铁电材料具有良好的铁电性、压电性、热释电以及性光学等特性以及原理，铁电材料是具有驱动和传感2 种功能的机敏材料, 可以块材、膜材(薄膜和厚膜) 和复合材料等多种形式应用, 在微电子机械和智能材料与结构系统中具有广阔的潜在应用市场。 关键词：铁电材料；铁电性；应用前景 C haracteristics and Application of Ferroelectric material Sun Jingzhi ( Materials Science and Engineering college, Hebei United University Tangshan 063009,China ) Abstract:Ferroelectric material has good iron electrical, piezoelectric , pyroelectric and nonlinear optical properties, such as a driver and sensing two function piezoelectric materials, can block material, membrane materials (film and thick film) and the compound Material of a variety of forms such as application, in microelectromechanical and intelligent materials and structures in the system with vast potential application market. Keywords: ferroelect ric materials Iron electrical development trend 0前言 晶体按几何外形的有限对称图象, 可以分为32 种点群, 其中有10 种点群: 1, 2, m , mm 2, 4,4mm , 3, 3m , 6, 6mm , 它们都有自发极化。从对称性分析它们的晶体结构都具有所谓的极轴, 即利用对称操作不能实现与晶体的其它晶向重合的轴向, 极轴二端具有不同的物理性能。从物理性质上看, 它们不但具有自发极化, 而且其电偶极矩在外电场作用下可以改变方向。在介电强度允许条件下, 能够形成电滞回线。晶体这种性能称为铁电性, 具有铁电性的材料称为铁电材料。1920 年法国人V alasek 发现了罗息盐(酒石酸钾钠 ) 的特异介电性, 导致“铁电性”概念的出现(也有人认为概念出现更早)。现在各种铁电材料十分丰富,

铁电材料的功能及应用前景

铁电材料的功能及应用前景 随着科技的迅猛发展，新型材料的研究成为当前热点领域。铁 电材料是其中之一，它具有独特的电学、光学、磁学等性质，并 且具有广泛的应用前景。本文旨在探讨铁电材料的功能及应用前景。 一、铁电材料的基本性质 铁电材料是指在无外界电场作用下具有极化性的材料。它们具 有如下特性： 1. 巨电介电常数：铁电材料在外电场作用下能产生极化，极化 电荷密度可高达$10^{12}$C/m²，极化状态下介电常数会增加几百倍。 2. 非线性光学效应：铁电材料呈现非线性光学效应，如二倍频、三倍频、四倍频等。 3. 逆铁电效应：铁电材料在电场作用下能发生极性倒转，这一 性质称为逆铁电效应。

4. 压电效应：铁电材料在外力作用下会发生形变，并产生极化，这一性质称为压电效应。 铁电材料具有这些独特的性质，因此被广泛地研究和应用。 二、铁电材料的应用前景 1. 铁电存储器 铁电存储器是一种新型非挥发性存储器，它可以在断电的情况 下保持存储信息。铁电存储器具有速度快、容量大、数据稳定等 优点，可以替代掉传统的闪存存储器。目前，铁电存储器已经在 智能手机、平板电脑等消费电子产品上得到了广泛的应用。 2. 铁电陶瓷 铁电陶瓷具有良好的压电性能和介电性能，可以广泛应用于传 感器、滤波器、调谐器等电子领域。此外，铁电陶瓷的压电效应 还可以应用于医疗领域，如超声波治疗、成像等。

3. 铁电液晶 铁电液晶具有特殊的光学性能，它可以将光线分成两个波，这一特性被广泛应用于显示器、多媒体终端等领域。 4. 铁电玻璃 铁电玻璃具有独特的光学、磁学性能，可以应用于光学信息存储、电磁屏蔽、光纤通信等领域。 5. 铁电探测器 铁电探测器由于其灵敏度高、稳定性好等优点，可以广泛应用于安全监控、卫星通信等领域。 三、铁电材料的研究进展 目前，铁电材料的研究已经进入到了新时代。一方面，这一领域的学术研究十分活跃，研究人员们致力于发现新型铁电材料，

陶瓷粉功效及应用

陶瓷粉功效及应用 陶瓷粉是一种用陶瓷原料制成的粉末状的物质，通常由多种元素组成，如硅，铝，钠，钙，镁等。在传统的陶瓷工艺中，陶瓷粉用于制作陶器、瓷器、砖瓦等工艺品，但在现代科技领域，陶瓷粉也被广泛应用于材料科学、电子工业、医疗器械等领域。以下是陶瓷粉的几种常见应用和功效： 1. 陶瓷材料：陶瓷粉是制作陶瓷制品的关键原料之一，例如陶器、瓷器、砖瓦等。陶瓷制品具有抗腐蚀、耐高温、绝缘性好等特点，因此在建筑、家居、艺术品等领域广泛使用。 2. 陶瓷涂层：陶瓷粉可以通过涂层的方式应用于金属表面，形成陶瓷涂层。陶瓷涂层具有优异的硬度、耐磨性和耐腐蚀性，可以提高金属材料的表面性能，延长其使用寿命。陶瓷涂层在汽车、航空航天等领域有广泛应用。 3. 电子陶瓷：陶瓷粉中的某些成分具有良好的电气性能，例如铁电陶瓷和压电陶瓷。铁电陶瓷在电子器件中可用作电容器、传感器和储能设备等，具有高介电常数和良好的压电效应。压电陶瓷可用于制作超声换能器、振动传感器、滤波器等电子器件。 4. 医疗器械：陶瓷粉在医疗器械中有广泛应用，例如人工关节、牙科修复材料、骨修复材料等。陶瓷粉具有生物相容性好、耐磨损、抗腐蚀等特点，可用于替代传统的金属材料，在医疗领域中起到重要作用。

5. 硬质合金：陶瓷粉和金属粉混合后，在高温下烧结成硬质合金。硬质合金具有高硬度、耐磨性和耐腐蚀性，被广泛应用于切削工具、矿山工具、模具等领域。 6. 摩擦材料：陶瓷粉可用于制作高温耐磨、高压下工作的摩擦材料。陶瓷摩擦材料具有低热膨胀系数、耐热性好、摩擦系数低等特点，可用于制作涡轮发动机的刹车和轴承。 7. 水处理：陶瓷粉在水处理领域也有应用。陶瓷膜过滤技术采用陶瓷粉制成的滤膜，能够有效去除水中的悬浮固体、细菌、病毒等有害物质，广泛应用于饮用水和废水处理。 总之，陶瓷粉具有多种应用和功效，从传统的陶瓷制品到现代科技领域的电子、医疗和材料科学等领域，都离不开陶瓷粉的应用。随着科学技术的不断发展，陶瓷粉的应用将会进一步扩大和改进。

铁电陶瓷的应用

铁电陶瓷的应用 铁电陶瓷是一种特殊的陶瓷材料，具有铁电性质，能够在电场的作用下产生电极化， 因此在许多领域都有广泛的应用。下面将就铁电陶瓷在电子产品、医疗领域、能源行业和 航空航天领域的应用进行详细介绍。 一、电子产品领域 铁电陶瓷可用于电子产品中的压电元件、传感器和微机电系统等方面。在压电元件中，铁电陶瓷能够在电场的作用下产生变形，因此可用于制造压电换能器，如压电陶瓷谐振器、压电陶瓷声波传感器等，广泛应用于手机、电脑、无线通信设备等电子产品中。铁电陶瓷 的压电性质也使其成为一种优秀的传感器材料，可用于制造加速度传感器、压力传感器等，应用于汽车、航空航天等领域。在微机电系统中，铁电陶瓷可以作为微型压电马达、微型 压电致动器等微型机电设备的材料，有望在微机电系统领域发挥重要作用。 二、医疗领域 铁电陶瓷在医疗领域的应用主要体现在超声诊断设备和超声治疗设备中。铁电陶瓷通 过其压电效应可以将电能转化为机械能，被应用于超声探头中，用于超声成像、超声检查 等医学诊断手段。在超声治疗设备中，铁电陶瓷也可用于制造超声振荡器、超声换能器等 设备，用于进行超声治疗、超声碎石等医学治疗手段。 三、能源行业 在能源行业中，铁电陶瓷可以用于制造压电发电装置、压电储能装置等设备。通过铁 电陶瓷的压电效应，可以将机械能转化为电能，因此可以应用于压电发电装置中，例如压 电陶瓷发电装置、压电陶瓷振动发电装置等，用于收集环境中的振动能量、压力能量、声 波能量等，实现能源的收集和转化。铁电陶瓷也可以作为储能装置的材料，用于制造高效 的压电式储能装置，可以在电能较少的地方储存能量，为一些特殊场合提供电能支持。 四、航空航天领域 在航空航天领域，铁电陶瓷的应用主要体现在航空航天制导系统、主动噪音控制系统 等方面。通过铁电陶瓷的压电效应，可以实现超高精度的航空制导系统，例如利用压电陶 瓷制造的压电陶瓷马达、压电陶瓷致动器等机电装置，可以实现航空器舵面的微小调整和 控制。铁电陶瓷也可以用于制造主动噪音控制系统中的压电换能器、压电陶瓷传感器等， 通过其压电特性调整和控制飞机、航天器的噪音和振动，提高航空航天器的舒适性和性能 稳定性。 铁电陶瓷在电子产品、医疗领域、能源行业和航空航天领域都有着广泛的应用前景， 随着科学技术的不断进步和发展，铁电陶瓷在各个领域的应用将会更加深入和广泛。

铁电陶瓷材料的介电特性分析

铁电陶瓷材料的介电特性分析引言 铁电陶瓷材料在现代科技领域发挥着重要作用。它们具有独特的电学性质，被广泛应用于电子、通信、传感和储能等领域。本文将对铁电陶瓷材料的介电特性进行深入分析，探讨其原理、性能以及应用前景。 第一部分：介电特性的原理 铁电陶瓷材料的特殊性质来自于其中的铁电相。铁电相是一种具有非线性介电特性的晶体结构，它能在外电场的作用下发生极化反转。这种极化反转产生了瞬时的电输运，使得铁电材料具有介电性能。 第二部分：介电特性的性能 1. 饱和极化：铁电陶瓷材料的饱和极化是指在极化电场达到一定程度后，材料的极化保持不变。这是材料极化反转所能达到的最大程度。饱和极化与材料的晶体结构有关，不同的晶体结构会影响饱和极化的大小和稳定性。 2. 介电常数：介电常数是表示材料对电场响应的能力的物理量。铁电陶瓷材料的介电常数较高，可达到几百或几千，远大于一般材料的介电常数。这使得铁电陶瓷材料在电容器、传感器等电子器件中有着广泛的应用。 3. 介电损耗：介电损耗是材料在外电场作用下发生能量损耗的程度。铁电陶瓷材料的介电损耗较低，这使得它们在高频电子元器件中具有更好的性能，能够减少能量转化的损失。 第三部分：应用前景 铁电陶瓷材料的介电特性使得它们在多个领域有着广泛应用的潜力。

1. 电子器件：铁电陶瓷材料可以用于制造电容器、电感器、传感器等电子器件。这些器件在电子设备中发挥着重要作用，如存储器、振荡器、滤波器等。 2. 通信技术：铁电陶瓷材料的高介电常数和低介电损耗使其在无线通信领域有 着广泛应用的前景。它们可以用来制造各种储备器件，以提高通信系统的性能和稳定性。 3. 能量储存：铁电陶瓷材料的介电特性为能量储存提供了更好的选择。它们可 以应用于超级电容器、储能电池等领域，以提供高效、可靠的能量储存解决方案。 结论 铁电陶瓷材料的介电特性是其在科技领域中得以广泛应用的重要基础。通过对 铁电陶瓷材料的介电特性进行深入分析，我们可以更好地理解其原理、性能和应用前景。随着科技的不断发展，铁电陶瓷材料有望在更多领域中得到应用，并推动相关技术的进步。

2024年钛酸钡铁电陶瓷市场发展现状

钛酸钡铁电陶瓷市场发展现状 引言 钛酸钡铁电陶瓷是一种重要的电子陶瓷材料，具有优异的电学性能和优越的热稳定性，广泛应用于电子器件和无线通信领域。本文将对钛酸钡铁电陶瓷市场的发展现状进行综述，并分析其市场前景。 钛酸钡铁电陶瓷的特点 钛酸钡铁电陶瓷具有以下几个重要的特点： - 高介电常数和低介电损耗，使其在高频率电子器件中具有应用潜力； - 温度稳定性好，能够适应复杂的工作环境； - 高压驱动性能，适用于电荷存储器和压电传感器等领域； - 高饱和极化电压，使其在无线通信设备中具备优势。 钛酸钡铁电陶瓷市场规模及发展趋势 根据市场研究报告，钛酸钡铁电陶瓷市场规模逐年扩大，并呈现出以下几个发展趋势： 1. 电子器件领域的应用增加 随着电子器件市场的不断扩大，对高性能电子陶瓷材料的需求逐渐增加。钛酸钡铁电陶瓷以其出色的电学性能和稳定性，被广泛应用于电容器、滤波器、谐振器等电子器件中。

2. 无线通信设备市场的快速发展 无线通信设备市场的快速发展带动了对钛酸钡铁电陶瓷的需求增长。钛酸钡铁电 陶瓷在射频滤波器、天线、谐振器等无线通信设备中具有重要的应用，如5G技术的 普及将进一步推动钛酸钡铁电陶瓷市场的增长。 3. 新兴应用领域的开拓 随着科技的进步和新兴应用的不断涌现，钛酸钡铁电陶瓷在医疗设备、汽车电子、航空航天等领域也开始得到关注和应用。这些新兴应用领域的开拓将进一步推动钛酸钡铁电陶瓷市场的发展。 钛酸钡铁电陶瓷市场面临的挑战 虽然钛酸钡铁电陶瓷市场发展势头良好，但仍面临一些挑战： 1. 生产成本高 钛酸钡铁电陶瓷的生产工艺复杂，所需原材料价格昂贵，导致生产成本较高。这 给陶瓷生产企业带来一定的压力，并限制了市场的进一步扩大。 2. 技术创新与研发投入不足 目前，一些先进的钛酸钡铁电陶瓷材料制备技术尚未得到广泛采用，存在一定的 技术创新和研发投入不足的问题。这限制了钛酸钡铁电陶瓷市场的进一步发展。

低电场高储能密度NBT基弛豫铁电陶瓷结构与性能调控

低电场高储能密度NBT基弛豫铁电陶瓷结构与性能调控 低电场高储能密度NBT基弛豫铁电陶瓷结构与性能调控 引言： 弛豫铁电材料因其较高的储能密度和优异的电介质性能，在能源存储和传感器应用等领域具有巨大的潜力。在弛豫铁电陶瓷材料中，通过调控材料结构和改变化学成分，可以实现性能的优化和储能密度的提高。本文将以NBT（（1- x)Na(0.5)Bi(0.5)TiO3-xBaTiO3）基弛豫铁电陶瓷为例，介绍了其结构和性能调控的方法与机制。 一、NBT基弛豫铁电陶瓷的结构特点 NBT是一种重要的弛豫铁电陶瓷，具有较高的相变温度和相变 硬度，具备优异的电介质性能。其晶体结构为钙钛矿晶体结构，是由钠、铋和钛元素组成的复合氧化物。NBT材料具有复杂的 结构相互作用，使其具有良好的弛豫铁电性能。此外，加入不同比例的BaTiO3可以改变NBT材料的结构和性能，进一步提 高其储能密度。 二、结构调控方法 1. 共烧法合成：通过控制不同元素的摩尔比例，可以获得 NBT基弛豫铁电陶瓷材料。共烧法合成具有简单、经济的优点，是制备弛豫铁电材料的常用方法之一。 2. 添加掺杂剂：将不同离子掺杂到NBT材料中，可以导 致晶格畸变和氧空位的形成，进而影响材料的电荷输运和电介质性能。例如，通过钙（Ca）掺杂，可以提高NBT材料的收缩畸变，增强其弛豫铁电性能。 3. 调控烧结工艺：合适的烧结工艺可以改善NBT材料的 致密性和结晶度，进而提高其储能密度。常用的烧结工艺有热

压烧结法、微波烧结法等，可以实现NBT材料的有效致密化和晶粒生长控制。 三、性能调控方法 1. 温度调控：调节压力和温度条件可以改变NBT材料的相组 成和结构，从而改变其电介质性能。利用温度敏感的相变特性，可以实现在不同温度下的优化性能。 2. 应力调控：应用外加电场或机械应力可以引起NBT材 料的相变行为，从而调控其电介质性能。例如，在外加电场的作用下，可以实现NBT材料的极化和去极化控制。 3. 化学成分调控：调节BaTiO3和NBT的相对比例，可以改变材料的铁电相变温度和储能密度。合理选择NBT材料的化学成分，可以使其具有更高的储能密度和更优异的电介质性能。 结论： 通过对NBT基弛豫铁电陶瓷的结构和性能调控，可以实现其性能的优化和储能密度的提高。结构调控方法主要包括共烧法合成、掺杂剂的添加和烧结工艺的优化；性能调控方法主要包括温度调控、应力调控和化学成分调控。进一步研究和探索NBT 基弛豫铁电陶瓷的调控方法，将为其在能源存储和传感器应用等领域的应用提供新的思路和方法 通过对NBT基弛豫铁电陶瓷的结构和性能调控，可以实现其性能的优化和储能密度的提高。结构调控方法主要包括共烧法合成、掺杂剂的添加和烧结工艺的优化；性能调控方法主要包括温度调控、应力调控和化学成分调控。其中，共烧法合成可以提高NBT材料的致密性和晶粒生长控制；掺杂剂的添加可以改变材料的相组成和结构，从而调节其电介质性能；烧结工艺的优化可以实现NBT材料的有效致密化和晶粒生长控制。温

钛酸铋钠基类反铁电陶瓷的组成设计与低场储能性能研究

钛酸铋钠基类反铁电陶瓷的组成设计与低场储能性能研 究 钛酸铋钠基类反铁电陶瓷的组成设计与低场储能性能研究 摘要 钛酸铋钠基类反铁电陶瓷（BNT-BT）是一种具有极高再极化温度和优异储能性能的材料。本研究旨在通过组成设计和性能研究来优化BNT-BT材料的储能性能。通过传统的固态反应 法合成了一系列BNT-BT陶瓷样品，通过X射线衍射（XRD）、扫描电子显微镜（SEM）和能量色散X射线光谱（EDX）对样品进行了表征，基于P-E弛豫回线测试和储能性能分析，对 BNT-BT材料的组成和低场储能性能进行了研究。 关键词：钛酸铋钠基类反铁电陶瓷，组成设计，低场储能性能，固态反应法，P-E弛豫回线 1. 引言 近年来，随着电子设备和电力系统的快速发展，对高性能储能材料的需求日益增加。钛酸铋钠基类反铁电陶瓷作为一种具有很高储能密度和较低电致应变的材料，成为了储能领域的研究热点之一。然而，尽管BNT-BT陶瓷材料已经取得了一定 的进展，但其储能性能与商业化电容器还存在一定差距。因此，通过组成设计和性能研究，进一步优化BNT-BT材料的性能， 提高其低场储能性能具有重要意义。 2. 实验方法 2.1 样品制备 在本实验中，采用传统的固态反应法合成了一系列BNT- BT陶瓷样品。将相应的氧化物粉末按照化学计量比例混合， 并在1200°C进行煅烧。通过调整BNT和BT的摩尔比例，得

到不同组成的BNT-BT陶瓷样品。 2.2 样品表征 通过X射线衍射（XRD）对样品进行表征，分析样品的晶 体结构和相纯度。通过扫描电子显微镜（SEM）和能量色散X 射线光谱（EDX）对样品的形貌和元素组成进行表征，分析样 品的微观结构和组成。 2.3 性能测试 通过P-E弛豫回线测试对样品的电致应变性能进行测试，通过储能性能分析对BNT-BT材料的储能密度和损耗因数进行 测试，以评估其低场储能性能。 3. 结果与讨论 通过XRD分析发现，所有样品均具有钙钛矿结构，并且样品中的杂质相相对较少。通过SEM和EDX分析发现，样品的形貌较为均匀，元素组成分布较为均匀。 通过P-E弛豫回线测试发现，不同组成的BNT-BT样品具 有不同的电致应变性能。随着BT含量的增加，样品的电致应 变性能逐渐增强。通过储能性能分析发现，BNT-BT样品具有 较高的储能密度和较低的损耗因数。随着BT含量的增加，样 品的储能密度逐渐增加，而损耗因数逐渐减小。 4. 结论 通过组成设计和性能研究，成功合成了一系列BNT-BT陶 瓷样品。通过P-E弛豫回线测试和储能性能分析，发现BNT- BT材料具有较好的电致应变性能和储能性能。随着BT含量的 增加，BNT-BT材料的储能密度有所增加，损耗因数有所减小。本研究为进一步优化BNT-BT材料的储能性能提供了一定的参考。

高熵钙钛矿铁电陶瓷的组分设计与介电性能研究

高熵钙钛矿铁电陶瓷的组分设计与介电性能研究 高熵钙钛矿铁电陶瓷的组分设计与介电性能研究 摘要： 钙钛矿铁电陶瓷因其优异的介电性能和独特的晶体结构，在电子器件、传感器、能量存储等领域中具有广阔的应用前景。本文通过高熵合金的组分设计与制备，研究了高熵钙钛矿铁电陶瓷的介电性能，探讨了组分对其结构和性能的影响。结果表明，高熵合金的引入能够显著改善钙钛矿铁电陶瓷的性能，为其在实际应用中提供了更大的潜力。 1. 引言 钙钛矿铁电陶瓷是一类结构特殊且功能独特的材料，被广泛应用于电子和能源领域。具有优异的介电性能和良好的电场响应特性，适用于各种电子元件的制备。然而，传统的钙钛矿铁电陶瓷存在一些局限性，如相变温度较低、介电常数偏低等。为了进一步提高其性能，高熵合金的设计和制备成为了一种新的方法。 2. 高熵合金的组分设计 高熵合金是一种由多种元素组成、具有高度混乱无序结构的材料。通过在组分设计上引入更多的元素，可以增加材料的组分熵，从而优化材料的性能。本研究中，我们选择了若干具有不同离子半径和极性的元素，包括钡(Ba)、钙(Ca)、锶(Sr)、钛(Ti)和铌(Nb)，进行了高熵合金的组分设计。 3. 高熵钙钛矿铁电陶瓷的制备 在制备过程中，我们采用了固相反应的方法。首先，将事先粉碎和混合好的原料放入高温炉中，在合适的温度下进行烧结。通过控制合金的成分和烧结条件，得到了不同组分的高熵钙钛

矿铁电陶瓷。 4. 结构分析 通过X射线衍射仪对制备得到的高熵钙钛矿铁电陶瓷进行了结构分析。结果显示，高熵合金的引入改变了材料的晶体结构，增加了晶格畸变和局部无序度。这种无序结构可以提供更多的自由度，促进了材料的电场响应能力。 5. 介电性能的研究 利用介电谱仪对高熵钙钛矿铁电陶瓷的介电性能进行了测试。结果显示，与传统的钙钛矿铁电陶瓷相比，高熵合金的引入显著改善了材料的介电常数和介电损耗。不同组分的高熵合金表现出不同的介电性能，具有更广泛的应用潜力。 6. 结论 本研究通过高熵合金的组分设计与制备，研究了高熵钙钛矿铁电陶瓷的组分与介电性能的关系。结果表明，高熵合金的引入能够显著改善钙钛矿铁电陶瓷的性能。在实际应用中，高熵钙钛矿铁电陶瓷具有更广泛的应用前景。未来的研究中，需要进一步研究高熵合金的合成方法和优化材料的性能，以实现更高的性能和更广泛的应用 综合以上研究结果，我们成功制备了高熵钙钛矿铁电陶瓷，并通过结构分析和介电性能测试对其进行了详细研究。通过引入高熵合金，材料的晶体结构发生改变，晶格畸变和局部无序度增加，从而提供更多的自由度，提高了电场响应能力。与传统的钙钛矿铁电陶瓷相比，高熵合金的引入显著改善了材料的介电常数和介电损耗，展示出更广泛的应用潜力。未来的研究需要进一步优化高熵合金的合成方法，以实现更高的性能和更