（生态学专业论文）稀土复合掺杂钛酸钡基纳米介电陶瓷的研制及其性能、结构的研究.pdf

摘要 电介质陶瓷作为功能陶瓷在传感、电声和电光等技术领域具有广 泛的应用价值。剑桥大学的h a ，p o h l 教授于1 9 7 8 年提出介电力学体 系这一理论体系，根据这一理论，电介质陶瓷还可以应用在介电力学 分离工艺中。目前该工艺已经被应用于环境中污染物的去除和燃料油 中颗粒杂质的去除，并取得了良好的效果，并且介电性能优异的电介 质可以降低能耗、节约能源，起到保护环境的作用。 钙钛矿介电材料由于其特有的铁电、热点、压电等性质受到人们 的广泛关注。钛酸钡作为最代表性的介电材料具有较高的介电常数， 被广泛应用于多层陶瓷电容器的制备。结构分析表明：在温度高于 1 2 0 时，钛酸钡晶体为立方相空间群o ：一p m 3 。在温度高于1 2 0 。c 时， 钛酸钡的介电常数最高，约为室温介电常数的6 倍。然而，制备条件 以及掺杂组分( 如稀土的掺杂) 对钛酸钡介电性质具有较大的影响， 因此在电子陶瓷领域中，钛酸钡的制备和掺杂是人们普遍关注的一个 焦点。溶胶凝胶法可以合成多组分钛酸钡基粉体，这种方法被认为 是一种接近绿色的“软化学”合成方法。只要将用这种方法制各的干 凝胶在一定温度下( 通常低于1 0 0 0 。c ) 煅烧去除有机组分就可获得 陶瓷粉体。 本文首先综述了钛酸钡粉体制各的各种方法，认为液相法制备的 粉体因具有纯度高、成分均匀、粒径小等特点而成为制备粉体主要方 法，其中溶胶一凝胶法因其可制得多组分均匀掺杂的钛酸钡粉体，是 极具发展前景的制粉方法；此外，总结了掺杂改性钛酸钡系陶瓷研究 进展。 本论文采用溶胶。凝胶法制备了钛酸钡陶瓷、b c s t ( b a o 舶c a o 0 8 s r o3 t i 0 3 ) 陶瓷，制备了用固相、液相两种方式掺杂稀土 p r 6 0 1 l 的b t ：x p r 6 0 l l 陶瓷，以及用溶胶- 凝胶法合成b c s t ( b a 0 6 2 c a o0 8 s r o 3 t i 0 3 ) 基质粉体，二次固相同时掺杂两种稀土p r 6 0 1 1 和n d 2 0 3 的b c s t ：0 0 0 1 p r 6 0 1 1 x n d 2 0 3 系列陶瓷。采用x r d 和s e m ， 等对粉体和陶瓷的相组成、微观形貌进行了表征，并测试了陶瓷的介 电性能。得出如下结论： 1 采用溶胶凝胶法合成制备了钛酸钡纳米晶粉体及陶瓷。经 x r d 粉体衍射测试，所得钛酸钡粉体主要为四方相纳米粉体；经过 s e m 扫描电镜观察到陶瓷陶瓷平均晶粒大小约为5 p m ；通过介温测 试，所得陶瓷的居里温度t c 为1 3 4 。 2 采用溶胶一凝胶法合成制备了b c s t 纳米晶粉体及陶瓷。经x r d 粉体衍射测试，所得b c s t 粉体主要为四方相纳米粉体；经过s e m 扫描电镜观察到陶瓷平均晶粒大小约为8 9 m ；通过介温测试，与纯 b t 陶瓷相比，陶瓷的居里峰向低温方向移动并展宽压低，而介电损 失比较低，所得陶瓷的居里温度t c 为1 2 。c 。 3 制备了用固相、液相两种方式掺杂稀土p r 6 0 1 1 的b t ：x p r 6 0 1 1 纳 米粉体及陶瓷，并进行了对比。发现：对于液相掺杂稀土p r 6 0 1 1 稀土 p r 6 0 1l 的b t ：x p r 6 0 ll 纳米粉体及陶瓷，x = 0 0 0 5 为最佳掺杂量，经x r d 粉体衍射测试，所得b t ：0 0 0 5 p r 6 0 l l 粉体主要为四方相纳米粉体，经 过s e m 扫描电镜观察到陶瓷陶瓷平均晶粒大小约为3 0 0 n m ，通过介 温测试，与纯b t 陶瓷相比，b t ：0 0 0 5 p r 6 0 l l 陶瓷的居里峰向低温方 向移动，介损也明显降低，陶瓷的居里温度t c 为6 8 。c ；对于固相掺 杂稀土p r 6 0 1 1 的b t ：xp r 6 0 1 l 纳米粉体及陶瓷，x = 0 0 0 1 为最佳掺杂量， 经x r d 粉体衍射测试，所得b t ：0 0 0 1 p r 6 0 l l 粉体主要为四方相纳米 粉体，经过s e m 扫描电镜观察到陶瓷陶瓷平均晶粒大小约为5 0 0 n m ， 通过介温测试，与纯b t 陶瓷相比，b t ：0 0 0 1 p r 6 0 i l 陶瓷的居里峰向 低温方向移动并展宽，介损也明显降低，所得陶瓷的居里温度t c 为 1 1 8 。c ，此外，在大约3 4 。c 曲线有另一较低介电峰值，呈现双峰效应。 经过对比发现：与液相掺杂所获得的b t ：0 0 0 5 p r 6 0 1 l 陶瓷相比，固相 掺杂所获得的b t ：0 0 0 1 p r 6 0 l l 陶瓷晶粒发育较好，气孔较少，晶粒间 结合更加紧密；固相掺杂所获得的陶瓷居里点虽没有液相掺杂所获得 的陶瓷的居里点低，但是，固相掺杂的居里峰明显展宽压低，比液相 掺杂所获得的陶瓷在室温时具有较高的介电常数和较低的介电损失。 4 采用溶胶一凝胶法合成了b c s t 纳米晶粉体，制备了用二次固相 掺杂法掺杂稀土p r 6 0 l l 和n d 2 0 3 的b c s t 0 0 0 1 p r 6 0 1 1 x n d 2 0 3 粉体及 陶瓷。发现x = 0 0 0 2 为最佳掺杂量，经x r d 测试，所得 b c s t ：0 0 0 1 p r 6 0 u 0 0 0 2 n d 2 0 3 粉体主要为四方相纳米粉体；经过s e m 扫描电镜观察到陶瓷陶瓷平均晶粒大小约为6 肛m ；通过介温测试，与 纯b t 陶瓷相比，陶瓷的居里峰向低温方向移动，而介电损失比较低； 与b c s t 陶瓷( t c = 1 2 。c ) 相比，b c s t ：0 0 0 1 p r 6 0 1 1 0 0 0 2 n d 2 0 3 陶瓷 的居里峰( t c = i o 。c ) 并无显著变化，但居里点的介电常数却显著提 高。 关键词：溶胶一凝胶法，稀土，掺杂，介电性能 a b s t r a c t a sf u n c t i o n a lc e r a m i c s ，d i e l e c t r i cc e r a m i c sh a se x t e n s i v ea p p l i c a t i o n v a l u ei ns u c ha ss e n s o r , e l e c t r o o p t i c a la n de l e c t r o - a c o u s t i ct e c h n o l o g y p r o f e s s o rh a p o h lo ft h eu n i v e r s i t yo fc a m b r i d g ep u tf o r w a r dt h e t h e o r yo fd i e l e c t r o p h o r e s i si n19 7 8 a c c o r d i n gt ot h i st h e m r y , d i e l e c t r i c c e r a m i c sc a l lb eu s e di nd i e l e c t r o p h o r e s i cm e c h a n i c a ls e p a r a t i o np r o c e s s t h i ss e p a r a t i o np r o c e s sh a sn o wb e e nu s e dt ot r e a tt h ep o l l u t a n t si n e n v i r o n m e n ta n dr e m o v em i c r o - p a r t i c l e si n p e t r o l e u m ，a n d s o m e a c h i e v e m e n t sh a v eb e e na c h i e v e d d i e l e c t r i cm a t e r i a l sw i t he x c e l l e n t d i e l e c t r i cp r o p e r t i e sc a nr e d u c ee n e r g yc o n s u m p t i o na n dp r o t e c tt h e e n v i r o n m e n t p e r o v s k i t ed i e l e c t r i cm a t e r i a l sh a v eb e e nr e c e i v i n gm u c ha t t e n t i o nd u e t ot h e i re x c e l l e n tf u n c t i o n a l p r o p e r t i e s ，s u c h a s p y r o e l e c t r i c i t y , p i e z o e l e c t r i c i t y , e l e c t r o o p t i ce f f e c t ，a n ds oo n b a r i u mt i t a n a t ew h i c hh a s h i g hd i e l e c t r i cc o n s t a n ta n di su s e dw i d e l yi nm u l t i l a y e rc e r a m i c s c a p a c i t o r si so n eo ft h em o s tc o m m o nd i e l e c t r i cm a t e r i a l s s t r u c t u r a l a n a l y s i ss h o w st h a tb a r i u mt i t a n a t ec r y s t a l l i z e si nt h ec u b i cs y s t e ms p a c e g r o u po ：一p m 3 ma s s u m i n g a t t e m p e r a t u r e s a b o v e1 2 0 ( 2 a n dt h e d i e l e c t r i cc o n s t a n to fb a r i u mt i t a n a t ea ta b o u t1 2 0 r e a c h e sam a x i m u m w h i c hi sa b o u t6t i m e so ft h a ta tr o o mt e m p e r a t u r e h o w e v e r , t h e p r e p a r a t i o na n dd o p i n gc o m p o n e n t s ，f o re x a m p l et h ed o p i n go fl a n t h a n o n ， i n f l u e n c et h ed i e l e c t r i cp r o p e r t i e so fb a r i u mt i t a n a t es t r o n g l y t h e r e f o r e t h er e s e a r c ho fp r e p a r a t i o na n dd i e l e c t r i cp r o p e r t i e so fd o p e db a r i u m t i t a n a t ec e r a m i c sh a sb e e naf o c a lp o i n ti ne l e c t r o n i cc e r a m i c sf i e l d s o l - g e lm e t h o dw h i c h c a l lp r e p a r em u l t i c o m p o s i t i o nb a r i u mt i t a n a t e p o w d e r si sc o n s i d e r e da sa “c h i m i ed o u c d o rs o f tc h e m i c a la p p r o a c ht o t h es y n t h e s i so fm e t a s t a b l eo x i d em a t e r i a l c e r a m i cp o w d e r sc a l lb e o b t a i n e da f t e rh e a tt r e a t m e n to f x e r o g e lt oat e m p e r a t u r eh i 曲e n o u g ht o r e m o v et h eo r g a n i cc o m p o n e n t s m e t h o d so ft h es y n t h e s i so fb a t i 0 3 ，t e c h n i c a lc h a r a c t e r i s t i c s ，r e s e a r c h s i t u a t i o na n dr e c e n tp r o g r e s sh a db e e np r e s e n t e di nt h i sp a p e rf i r s t l y l o w t e m p e r a t u r ew e tc h e m i c a lr o u t e so f f e r f i l l e x c i t i n gp o s s i b i l i t yf o rt h e s y n t h e s i so fh i g hp u r i t y , h o m o g e n e o u s ，u l t r a f i n ep o w d e r sw h i c hm e e tt h e n e e do fe l e c t r i cc o m p o n e n t si nf a c t u a la p p l i c a t i o n s o l g e lm e t h o d ，w h i c h c a np r e p a r em u l t i c o m p o s i t i o nb a r i u m - t i t a n a t ep o w d e r s ，w a st h eo n eo f t h ep r o s p e c t i v er o u t e sf o r m a n u f a c t u r i n g b a r i u m - t i t a n a t e p o w d e r s b e s i d e s ，w es u m m a r i z e dr e c e n tp r o g r e s so ft h ed o p i n go fm i c r o e l e m e n t i nb a t i 0 3b a s e dc e r a m i c s t h e r e f o r e ，i nt h i sp a p e r , f i r s to fa l l ，b a r i u m - t i t a n a t ep o w d e ra n d c e r a m i c sw e r ep r e p a r e db ys o l g e lm e t h o d s e c o n d , d i f f e r e n tk i n d so f d o p i n gm e t h o d sw e r eu s e dt os y n t h e s i z eb t ：x p r 6 0 ns e r i e sc e r a m i c s t h i r d ，b c s t ( b a o 6 z c a o o s s r o 3 t i 0 3 ) p o w d e rw a sp r e p a r e db ys o l g e l m e t h o d ，p r 6 0 l l a n dn d 2 0 3w e r em i x e di n t ot h eb c s tp o w d e rb ys o l i d s t a t em e t h o dt os y n t h e s i z eb c s t ：0 0 01p r 6 0 ll x n d 2 0 3s e r i e sc e r a m i c s t h em a i np h a s e so fp r e d e c e s s o rp o w d e r sw e r ec h a r a c t e r i z e db yx - r a y d i f f r a c t i o n t h ep a t t e r n so ft h eb t - b a s e dc e r a m i c sw e r eo b s e r v e db y s e m t h ed i e l e c t r i c p r o p e r t i e so ft h ec e r a m i c sw e r ed e t e r m i n e d i n g e n e r a l ，t h em a i nw o r ki sa sf o l l o w s ： 1 n a n o m e t e r - s i z e db a r i u m - t i t a n a t ep o w d e ra n dc e r a m i c sw e r e p r e p a r e db ys o l - g e lm e t h o d t e t m g o n a lp h a s e n a n o m e t e r - s i z e d b a r i u m t i t a n a t ep o w d e rh a db e e ns y n t h e s i z e db ys o l g e lp r o c e s sa n dw a s c h a r a c t e r i z e db yx - r a yd i f f r a c t i o n t h ep a t t e r no ft h eb tc e r a m i c sw a s o b s e r v e db ys e ma n dt h ea v e r a g eg r a i ns i z eo ft h ec e r a m i c sw a sa b o u t 5 p m t h ec u r i et e m p e r a t u r et ci s 1 3 4 cm e a s u r e db yd i e l e c t r i c f r e q u e n c ya n dt e m p e r a t u r es p e c t r u ma n a l y z e r 2 n a n o m e t e r - s i z e db c s tp o w d e ra n dc e r a m i c sw a sp r e p a r e db y s o l g e lm e t h o d t e t r a g o n a lp h a s en a n o m e t e r - 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s i z e dt e s t e d b yx - r a yd i f f r a c t i o n ；t h e p a t t e r no ft h e b t ：0 0 0 5 p r 6 0 tt c e r a m i c sw a so b s e r v e db ys e ma n dt h ea v e r a g eg r a i n s i z e o ft h ec e r a m i c sw a sa b o u t3 0 0 n m ；c o m p a r e d w i t ht h ec u r i e 口o i n to f p u r eb tc e r a m i c s ，t h ec u r i ep o i n to fb t ：0 0 0 5 p r 6 0 l lc e r a m i c s ，w h i c hi s 6 8 c s h i f t e dt ol o w e r t e m p e r a t u r e , a n dt h ed i e l e c t r i c1 0 s so f b t ：0 0 0 5 p r 6 0 c e r a m i c sw a sl o w e rt h a nt h a to fb tc e r a m i c s f 0 rt h e b t ：x p r 6 0 l jp o w d e r sa n dc e r a m i c ss y n t h e s i z e db ys o l i ds t a t e d o p i n g m e t h o d ，t h eo p t i m a ls a m p l ew a sb t ：o 0 0 1 p r 6 0 l l ；t h eb t ：o 0 0 1 p r 6 0 i i p o w d e rw a sf o u n dt ob et e t r a g o n a lp h a s ea n dn a n o m e t e r - s i z e dt e s t e db v x - r a yd i f f r a c t i o n ；t h ep a t t e mo ft h eb t ：o 0 0 1 p r , o l l c d 盟m i c sw a s o b s e r v e db ys e ma n dt h ea v e r a g eg r a i ns i z eo f t h ec e r a m i c sw a sa b o u t 5 0 0 n t o ；c o m p a r e dw i t ht h ec u r i ep o i n to fp u r eb tc e r a i i l i c s t h ec u r i e p o i n to fb t ：0 0 0 5 p r 6 0 ll c e r a m i c s ，w h i c hi s118 ( 2 s h i f i e dt 0l o w e r t e m p e r a t u r e ，a n dt h ec u r i ep e a kw a sb r o a d e n e d ；b e s i d e s ，t h ed i e l e c t r i c l o s so fb t ：0 ，0 0 1 p r 6 0 nc e r a n f i c sw a sl o w e rt h a nt h a to f b tc e r a m i c s ：a r e l a t i v el o w e rd i e l e c t r i cp e a kw h i c hl e a dt h et e m p e r a t u r ed e p e n d e n c eo f t h ed i e l e c t r i cc u r v e d o u b l e - p e a k l i k ew a sf o u n da t3 4 t h e b t ：0 0 0 1 p r e o uc e r a m i c sp r e p a r e db ys o l i ds t a t ed o p i n gm e t h o dw a s b e t t e rm a t u r e di nc r y s t a l l i n eg r a i n ，a n dh a dl e s sp o r e st h a nt h o s eo ft h e b t ：0 0 0 5 p r 6 0 llc e r a m i c ss y n t h e s i z e db yl i q u i ds t a t ed o p i n gm e t h o d a l s o t h ec u r i et e m p e r a t u r eo f b t ：0 0 0 1 p r 6 0 i ic e r a m i c sw a s h i g h e rt h a nt h a to f b t ：0 0 0 5 p r 6 0 uc e r a m i c s ，t h ec u r i ep e a l , w a sw i d e rt h a nt h a to f b t ：0 0 0 5 p r 6 0 nc e r a m i c s t h u s ，t h eb t ：0 0 0 1 p r 6 0 uc e r a m i c sp r e p a r e d b ys o l i ds t a t ed o p i n gm e t h o dh a dh i g h e rd i e l e c t r i cc o n s t a n ta n dl o w e r d i e l e c t r i cl o s sa tr o o mt e m p e r a t u r e 4 n a n o m e t e r - s i z e db c s tp o w d e rw a sp r e p a r e db ys o l g e | m e t h o d , t h e np r 6 0 a n dn d 2 0 3w e r ed o p e dt h r o u g hs o l i ds t a t ed o p i n gm e t h o d ， a n db c s t ：0 0 0 1 p r 6 0 n x n d 2 0 3p o w d e r sa n dc e r a m i c sw e r ep r e p a r e d t h eo p t i m a ls a m p l eo fb c s t ：0 0 0 1 p r 6 0 u 。x n d 2 0 3c e r a m i c sw a sb c s t ： 0 0 0 1 p r 6 0 i t 0 0 0 2 n d 2 0 3c e r a m i c s t h eb c s t ：0 0 0 1 p r 6 0 w 0 0 0 2 n d 2 0 3 p o w d e rw a sf o u n dt ob et e t r a g o n a lp h a s ea n dn a n o m e t e r - s i z e dt e s t e db y x - r a yd i f f r a c t i o n t h ep a t t e r no ft h eb c s t ：0 ，0 0 1 p r 6 0 i i 0 0 0 2 n d 2 0 3 c e r a m i c sw a so b s e r v e db ys e ma n dt h e a v e r a g eg r a i n s i z eo ft h e c e r a m i c sw a sa b o u t6t t m c o m p a r e dw i t ht h ec u r i ep o i n to fp u r eb t c e r a m i c s ，t h ec u r i ep o i n to fb c s t ：0 0 0 1 p r 6 0 h 0 0 0 2 n d 2 0 3c e r a m i c s ， w h i c hi si o 。cs h i f t e dt ol o w e rt e m p e r a t u r e b e s i d e s ，t h ed i e l e c t r i cl o s s o fb c s t ：0 0 0 1 p r 6 0 1 1 0 0 0 2 n d 2 0 3c e r a m i c sw a sl o w e rt h a nt h a to fb t c e r a m i c s c o m p a r e dw i t ht h ec u r i ep o i n to fb c s tc e r a m i c s ，w h i c hi s 1 2 c ，t h ec u r i ep o i n to fb c s t ：0 0 0 1 p r 6 0 l l 0 0 0 2 n d z 0 3c e r a m i c sd i d n t s h i f tt ol o w e rt e m p e r a t u r ea p p a r e n t l y , b u tt h ed i e l e c t r i cc o n s t a n to f b c s t ：0 0 0 1 p r 6 0 i i 0 0 0 2 n d 2 0 3c e r a m i c sa tc u r i et e m p e r a m r ei n c r e a s e d o b v i o u s l y k e y w o r d s ：s o l g e lm e t h o d ，r a r e e a r t h ，d o p i n g ，d i e l e c t r i cp r o p e r t i e s 1 1 引言 第一章绪论 材料的使用好发展是人类文明进步的重要标志，在人类即将进入信息时代的 今天，材料与能源、信息并列为现代科学技术的三大支柱，而材料又是能源和信 息的物质基础，正如有了半导体就有了电子计算机，有了光导纤维就有了光通信， 有了超导体就有了磁悬浮列车等等。随着科学技术的进步，材料也日益向智能化、 多功能化、复合化、工艺一体化等方向加速发展。近年来，人们在结构材料的研 究取得重大成就的同时，特别注重新型功能材料的研究，尤其是近1 0 年来，功 能材料逐渐成为材料科学和工程领域中最为活跃的部分，每年以5 以上的速度 增长。日本和欧美等各国对新型功能材料的研究十分活跃旷”，而这正是因为功 能材料是能源、计算机、通讯、电子、激光等现代科学的基础，功能材料在未来 社会的发展中具有重大意义。 功能材料是指表现出力学性能以外的电、磁、光、生化、化学等特殊性质的 材料。在国外，也将这类材料称为功能材料( f u n c t i o n a lm a t e r i a l s ) 、特种材料 ( s p e c i a l i t y m a t e r i a l s ) 或精细材料( f i n e m a t e r i a l s ) 【8 】。从不同角度出发，功能 材料有不同的分类方法，其中按材料性质可分为金属材料、陶瓷材料、高分子材 料、复合材料唧。 1 1 1 功能陶瓷 陶瓷是中华文化的杰出成就之一，以至于“陶瓷”的英文“c h i n a ”与“中国” 是同一个词。传统意义上的陶瓷是指由粘土或硅酸盐矿物与水混合研磨成可塑性 浆料，然后经成型、干燥，最后在9 0 0 1 2 0 04 0 范围内烧成，获得具有一定形状、 化学稳定性和适当机械强度的制品。这种陶瓷主要被人们用来贮存水和食品，也 可用作炉子内衬或熔炼金属的容器【。近年来随着电子技术和计算机技术的发 展，人们对具有特殊功能的材料的需求日益增加，而某些陶瓷材料恰恰具有这些 特殊性能，因此，近几十年来这类陶瓷材料的研究与开发取得了长足进展。这类 陶瓷无论在原料、工艺或性能等方面均有别于传统陶瓷，为了区别于传统概念上 的陶瓷，人们把具有各种功能机械、熟、声、电、磁、光、超导等的陶瓷统 称为精细陶瓷( f i n ec e r a m i c s ) ，或称为先进陶瓷( a d v a n c e dc e r a m i c s ，又称现 代陶瓷) 、特种陶瓷( s p e c i a lc e r a m i c s ) 、新型陶瓷( n e wc e r a m i c s ) 、高性能陶 瓷( h i i g hp e r f o r m a n c ec e r a m i c s ) 、技术陶瓷( t e c h n i c a lc e r a m i c s ) 或高技术陶瓷 ( h i g h - t e c hc e r a m i c s ) 1 t o 精细陶瓷的品种多而复杂，其应用范围也是多方面 的，通常根据其性能将其分为结构陶瓷( 又称工程陶瓷，s t r u c t u r a lc e r a m i c s ) 和功 能陶瓷( f u n c t i o n a lc e r a m i c s ) 两大类。结构陶瓷主要是以机械性能为主的一大 类陶瓷；功能陶瓷则主要利用材料的电、磁、光、声、热和力等性能及其耦合效 应【1 2 1 ，如铁电、介电陶瓷、半导体陶瓷、导体陶瓷、以至高临界温度的超导陶 瓷。 1 1 2 电介质陶瓷 电介质陶瓷是指电阻率大于1 0 8q m 的陶瓷材料，它能承受较强的电场而 不发生击穿。按电介质陶瓷在电场中的极化特性，可分为电绝缘陶瓷和电容器陶 瓷。随着材料科学的发展，在这类材料中又发现了压电、铁电和热释电等性能的 陶瓷，因此电介质陶瓷作为功能陶瓷又在传感、电声和电光技术等领域得到广泛 应用1 1 3 j 。 电介质陶瓷在静电场或交变电场中使用时，衡量其特性的主要参数是体积电 阻率、介电常数和介电损耗。电介质材料的重要特性就是其所含有的电子、离子 或是分子会因外加电场的介入而发生变化，从而改变器件的电特性，如将材料置 于电容的两个极板之间时，会增加电容量【1 4 】。介电材料作为电介质还可以应用 在介电力学分离工艺中。介电力学体系是剑桥大学的h a p o h l 教授于1 9 7 8 年提 出的一套理论体系【1 5 1 。这套理论主要用于研究物质在介电场中受力的物理过程。 处在非均匀介电场的固体微粒会在介电力的作用下沿着某一特定的方向运动，在 介电质表面聚集长大，从而能够将固体微粒与其它介质分离。根据这个原理，介 电力学分离工艺已经逐渐被应用于生物、医疗、环境等领域，并取得了一定的效 2 果，并且介电性能优异的电介质可以降低能耗、节约能源。 1 2 钛酸钡( b a t 的晶体结构 钛酸钡( b a t 0 3 ) 晶体是典型的钙钦矿结构的铁电、压电晶体，其铁电性能分 别由w u l 和g o l d m a n 于1 9 4 5 年f 1 刀以及h i p p e l 等人于1 9 4 6 年【1 8 1 发现。由它制成 的陶瓷因具有高的介电常数，优良的铁电、压电、耐压和绝缘性能，广泛用于体 积小容量大的微型电容器、电子计算机记忆元件、热敏电阻，光敏电阻、半导体 陶瓷、压电陶瓷等。钛酸钡系列电子陶瓷目前已成为现代功能陶瓷中最为重要的 类，是电子陶瓷元器件的基础母体原料，被誉为电子陶瓷的支柱。因此关于钛 酸钡陶瓷的制备以及电性能的研究就成为无机非金属材料中的一个热点领域 1 9 2 3 1 。 袁1 1 钛酸钡的相变转化 t a b l e l 1t h ep h a s et r a n s f o r m a t i o no f b a r i u mt i t a n a t e d i r e c t i o no f s p a c ec o m p o n e n t so f t c m p c r a t u n o r a t i o n c r y s t a ls t r u c t u r e p o l a r i z a t i o ng r o u pp o l a r i z a t i o n r a n g e cc u b i cp a r a e l e c t r i cp m 3 m p x = p y = p z = 田 t 1 2 0 t t e n a g o n a l【1 0 0 p 4 m m p x = p y - - o p z ：o5 t 1 2 0 oo r t h o r h o m b i c 【1 1 0 a t o mp x = o p y = p z ：08 0 t 5 rr h o m b o h c d r a l 【1 1 1 】 r 3 m p x - p y = p z 0 t - 8 0 图1 1 极化与温度关系 f i g ，1 1 t h er e l a t i o n s h i pb c t w l lt e m p e r a t u r ea n dp o l a r i z a t i o n 己知钛酸钡的晶体结构有六方相、立方相、四方相、斜方相和菱方相等晶相。 在铁电陶瓷的生产中，六方晶相是应该避免出现的晶相，实际上也只有当烧成温 度过高时才会出现六方钛酸钡。立方相、四方相、斜方相和菱方相都属于钙钛矿 型结构的变体。这几种变体，在生产和研制b a t 0 3 陶瓷时常常碰到，它们的稳 定温度范围为如表1 1 所示。 m e r z ( 1 9 4 9 ) 发现钛酸钡表现出三种异常的极化现象( 图1 1 ) ，并同时伴有介 电( 图1 2 ) 、结构变化以及其它参数的变化【2 4 1 。b a t i 0 3 的低温相存在热滞现象， 另外微量杂质也往往使相变温度有相应的变化。钛酸钡的低温相变导致其极化方 向发生改变，如表1 1 所示。结构数据分析【2 习( 如图1 3 ) 显示晶格畸变导致沿 着极化方向的晶格常数增大( 1 a t t i c ee x p a n d s ) ，沿着垂直方向的晶格常数减小 ( 1 a t t i c ec o n t r a c t s ) 。 图1 2 b a t i 0 3 单畴晶体的介电常数随温度的变 化 s ： 目 嚣 ；a 。： ( 图中( a 2c ) “3 夸为四方晶胞的等效( 等体积) 立