Nd摻雜鈦酸鋇基陶瓷的制備及性能研究*

(鐵電功能材料工程(技術)研究中心 陜西省植物化學重點實驗室寶雞文理學院化學與化工學院，陜西寶雞 721013)

Nd摻雜鈦酸鋇基陶瓷的制備及性能研究*

王艷

(鐵電功能材料工程(技術)研究中心 陜西省植物化學重點實驗室寶雞文理學院化學與化工學院，陜西寶雞 721013)

采用溶膠-凝膠一步法制備了Nd摻雜鋯鈦酸鋇基陶瓷，通過 XRD、SEM 等分析檢測手段對樣品進行表征。研究了Nd摻雜量的不同對其微觀形貌及介電性能的影響。研究表明：隨著Nd摻雜量的增大，鈦酸鋇基陶瓷的晶粒尺寸增大，介電常數呈現出先增大后減小的變化趨勢，介電損耗逐漸減小；當Nd摻雜量為摩爾分數0.07%時，陶瓷較為致密，其室溫介電常數達到最大值16032，介電損耗較小為0.0046。

溶膠-凝膠法，鈦酸鋇，Nd摻雜，介電性能

近年來，人們對陶瓷的開發和研究很關注，而且在新工藝、新材料等很多方面取得了成果[1]。其中應用最廣的一種陶瓷是鈦酸鋇陶瓷，它的鐵電性能良好、介電常數高及絕緣性好，因此被用于制備電容器、各種傳感器等[2-3]。

Ba(ZrxTi1-x)O3基陶瓷具有高的介電常數且相變區較寬，所以對它的研究相對比較廣泛[4-5]。摻雜改性在諸多的改性方法中是用的最多的一種，它可以很好地改善材料的性能[6]。在諸多的陶瓷粉體材料的制備方法中，溶膠-凝膠法[7-8]具有組成容易控制、燒結活性高、純度高、陶瓷的燒結溫度較低[9]等優點而引起人們的關注。

在本研究中，我們采用溶膠-凝膠法制備了Nd摻雜鋯鈦酸鋇基陶瓷，研究了Nd摻雜量對鋯鈦酸鋇體系微觀結構與介電特性的影響。

1 實驗部分

1.1 試劑及儀器

D8型XRD粉末衍射儀(德國布魯克公司)；TM3000掃描電子顯微鏡(日本日立公司)；HP4284A精密LCR測試儀(美國惠普公司)。

Ba(CH3COO)2(化學純)，Zr(NO3)4·5H2O(化學純)，Nd2O3(化學純)，Ti(C4H9O)4(分析純)，CH3CH2OH(分析純)，CH3CH2OOH(分析純)。

1.2 實驗方法

室溫下，利用磁力攪拌將化學計量比的Ti(C4H9O)4與無水乙醇(10mL)和醋酸(15mL)混合均勻。接著，將一定量的Ba(CH3COO)2、Nd(NO3)3溶液及Zr(NO3)4·5H2O用50mL蒸餾水溶解制備成無機混合溶液，將其緩慢滴加入上述的Ti(C4H9O)4體系中，攪拌2h形成均勻的溶膠。將溶膠置于80℃水浴中經40min后形成凝膠，空氣中陳化12h。將凝膠在80℃溫度下經過12h烘干，得到干凝膠。干凝膠在馬弗爐中經900℃預燒2h得到鋯鈦酸鋇基粉體。將所得粉體在水介質中球磨12h，干燥后加入甘油和聚乙烯醇(PVA)造粒，6MPa壓力下壓片，500℃排膠，在1260℃/2h燒成陶瓷圓片，制作銀電極后測試其介電性能。

2 結果與討論

2.1 鋯鈦酸鋇基粉體樣品的相組成(XRD)分析

圖1為Nd摻雜量不同時鋯鈦酸鋇粉體樣品的XRD圖譜，從圖中可以看出，樣品均呈現出鈣鈦礦相結構，同時有第二相BaCO3存在。

圖1 不同組分鋯鈦酸鋇基粉體的XRD圖譜Fig.1 XRD patterns of BZT-based ceramics with different Nd contents

2.2 Nd摻雜量對鋯鈦酸鋇陶瓷樣品表面形貌(SEM)的影響

圖2為不同Nd摻雜量BZT陶瓷的SEM圖。BZT基陶瓷的相對密度分別為84.7%、87.2%、92.1%、93.2%與89.7%。由圖可以看出，BZT陶瓷樣品中出現小晶粒和大晶粒共存的雙重顯微結構。當Nd3+摻雜量逐漸增加時，BZT基陶瓷樣品的粒徑呈現增大的趨勢。因此，Nd3+的加入可以促進BZT基陶瓷晶粒的長大。這可能是當Nd3+對BZT中的Ti4+進行取代時，由于Nd3+的電價與Ti4+的不同，為了保持電價平衡，會產生一定的氧空位，氧空位有利于物質的擴散，進而促進晶粒的長大。

圖2 Nd摻雜量(摩爾分數)對BZT基陶瓷表面形貌的影響：(a)0.00%；(b)0.04%；(c)0.06%；(d)0.07%；(e)0.08%Fig.2 SEM images of BZT-based ceramics with different Nd contents：(a)0.00%；(b)0.04%；(c)0.06%；(d)0.07%；(e)0.08%

2.3 Nd摻雜量不同對鋯鈦酸鋇陶瓷樣品性能的影響

圖3所示為Nd摻雜量的不同對BZT基陶瓷樣品的介電常數和容溫變化率的影響情況。表1所列為該陶瓷體系的主要性能參數。從圖3(a)中可以看出，隨著Nd3+摻雜量的增大，BZT基陶瓷的最大介電常數呈現出先增大后減小的變化趨勢。眾所周知，陶瓷樣品致密性對其介電常數有著重要的影響。當Nd3+摻雜量在摩爾分數0.0～0.07%范圍內變化時，BZT基陶瓷的介電常數增大，這可能是由于BZT基陶瓷的相對密度增大所導致。當Nd3+摻雜量進一步增大時，BZT基陶瓷的相對密度減小，從而導致BZT基陶瓷的介電常數顯著降低。由圖3(b)中可知，當Nd3+摻雜量在摩爾分數0.0～0.06%范圍內變化時，BZT基陶瓷的容溫變化率均符合Y5V標準。而當Nd3+摻雜量為摩爾分數0.07%時，其相對密度最大為93.2%，其室溫介電常數較高為16032，但是不符合Y5V標準。

圖3 Nd摻雜量對BZT基陶瓷介電特性的影響：(a)介電常數；(b)溫度穩定性Fig.3 Temperature dependence of the dielectric properties as a function of the Nd content for the BT ceramics：(a)dielectric constant；(b)TCC

圖4 Nd摻雜量對BZT基陶瓷介電損耗的影響Fig.4 Temperature dependence of the dielectric loss as a function of the Nd content for the BZT ceramics

圖4為不同Nd摻雜量下BZT基陶瓷的介電損耗圖。由圖4和表1可知，當Nd3+摻雜量在摩爾分數0.04%～0.08%范圍內變化時，樣品的介電損耗隨著Nd摻雜量的增加而逐漸減小，且其室溫介電損耗均小于0.82%，這可能是因為BZT基陶瓷材料的極化方式主要以離子極化為主，而離子之間的距離會隨著Nd摻雜量的增加而增大。離子之間的距離增大離子極化則變得緩慢，從而導致介電損耗也隨之變小。

表1 BaTiO3基陶瓷的主要性能參數Table 1 Main properties of the BaTiO3-based ceramics

3 結論

采用溶膠-凝膠一步法制備了Y5V型鋯鈦酸鋇基陶瓷。研究了Nd摻雜量對其微觀形貌及介電性能的影響。結果表明：隨著Nd摻雜量的增大，鈦酸鋇基陶瓷的晶粒尺寸增大，介電常數呈現出先增大后減小的變化趨勢；當Nd摻雜量為摩爾分數0.07%時，其最大介電常數達到最大值21013，室溫介電損耗較小為0.0046。

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PreparationandDielectricPropertiesofNd-dopingBariumTitanateCeramic

WANG Yan

(Engineering Research Center of Advanced Ferroelectric Functional Materials，College of Chemistry and Chemical Engineering，Baoji University of Arts and Sciences，Key Laboratory of Phytochemistry of Shaanxi Province，Baoji 721013，Shaanxi，China)

The Nd-doped Ba(Zr0.1Ti0.9)O3ceramics were prepared by sol-gel method. Samples were analyzed by using XRD，SEM and so on. The effect of Nd-doped concentration on the microstructure and dielectric properties of Nd-doped Ba(Zr0.1Ti0.9)O3ceramics were investigated. As the Nd-doped concentration increased，grain sizes increased，while the maximum dielectric constant first increased and then decreased. As the Nd-doped concentration was 0.07mol%，and that with a permittivity of 16032，low dielectric loss below 0.46 % at room temperature.

sol-gel method，Ba(Zr0.1Ti0.9)O3，Nd-doping，dielectric property

TQ 028.8；TB 34

陜西省教育廳項目(16JK1040)；寶雞市科技局(16RKX1-4)；寶雞文理學院校級重點項目(ZK16054)