Nd掺杂钛酸钡基陶瓷的制备及性能研究*

(铁电功能材料工程(技术)研究中心 陕西省植物化学重点实验室宝鸡文理学院化学与化工学院，陕西宝鸡 721013)

Nd掺杂钛酸钡基陶瓷的制备及性能研究*

王艳

(铁电功能材料工程(技术)研究中心 陕西省植物化学重点实验室宝鸡文理学院化学与化工学院，陕西宝鸡 721013)

采用溶胶-凝胶一步法制备了Nd掺杂锆钛酸钡基陶瓷，通过 XRD、SEM 等分析检测手段对样品进行表征。研究了Nd掺杂量的不同对其微观形貌及介电性能的影响。研究表明：随着Nd掺杂量的增大，钛酸钡基陶瓷的晶粒尺寸增大，介电常数呈现出先增大后减小的变化趋势，介电损耗逐渐减小；当Nd掺杂量为摩尔分数0.07%时，陶瓷较为致密，其室温介电常数达到最大值16032，介电损耗较小为0.0046。

溶胶-凝胶法，钛酸钡，Nd掺杂，介电性能

近年来，人们对陶瓷的开发和研究很关注，而且在新工艺、新材料等很多方面取得了成果[1]。其中应用最广的一种陶瓷是钛酸钡陶瓷，它的铁电性能良好、介电常数高及绝缘性好，因此被用于制备电容器、各种传感器等[2-3]。

Ba(ZrxTi1-x)O3基陶瓷具有高的介电常数且相变区较宽，所以对它的研究相对比较广泛[4-5]。掺杂改性在诸多的改性方法中是用的最多的一种，它可以很好地改善材料的性能[6]。在诸多的陶瓷粉体材料的制备方法中，溶胶-凝胶法[7-8]具有组成容易控制、烧结活性高、纯度高、陶瓷的烧结温度较低[9]等优点而引起人们的关注。

在本研究中，我们采用溶胶-凝胶法制备了Nd掺杂锆钛酸钡基陶瓷，研究了Nd掺杂量对锆钛酸钡体系微观结构与介电特性的影响。

1 实验部分

1.1 试剂及仪器

D8型XRD粉末衍射仪(德国布鲁克公司)；TM3000扫描电子显微镜(日本日立公司)；HP4284A精密LCR测试仪(美国惠普公司)。

Ba(CH3COO)2(化学纯)，Zr(NO3)4·5H2O(化学纯)，Nd2O3(化学纯)，Ti(C4H9O)4(分析纯)，CH3CH2OH(分析纯)，CH3CH2OOH(分析纯)。

1.2 实验方法

室温下，利用磁力搅拌将化学计量比的Ti(C4H9O)4与无水乙醇(10mL)和醋酸(15mL)混合均匀。接着，将一定量的Ba(CH3COO)2、Nd(NO3)3溶液及Zr(NO3)4·5H2O用50mL蒸馏水溶解制备成无机混合溶液，将其缓慢滴加入上述的Ti(C4H9O)4体系中，搅拌2h形成均匀的溶胶。将溶胶置于80℃水浴中经40min后形成凝胶，空气中陈化12h。将凝胶在80℃温度下经过12h烘干，得到干凝胶。干凝胶在马弗炉中经900℃预烧2h得到锆钛酸钡基粉体。将所得粉体在水介质中球磨12h，干燥后加入甘油和聚乙烯醇(PVA)造粒，6MPa压力下压片，500℃排胶，在1260℃/2h烧成陶瓷圆片，制作银电极后测试其介电性能。

2 结果与讨论

2.1 锆钛酸钡基粉体样品的相组成(XRD)分析

图1为Nd掺杂量不同时锆钛酸钡粉体样品的XRD图谱，从图中可以看出，样品均呈现出钙钛矿相结构，同时有第二相BaCO3存在。

图1 不同组分锆钛酸钡基粉体的XRD图谱Fig.1 XRD patterns of BZT-based ceramics with different Nd contents

2.2 Nd掺杂量对锆钛酸钡陶瓷样品表面形貌(SEM)的影响

图2为不同Nd掺杂量BZT陶瓷的SEM图。BZT基陶瓷的相对密度分别为84.7%、87.2%、92.1%、93.2%与89.7%。由图可以看出，BZT陶瓷样品中出现小晶粒和大晶粒共存的双重显微结构。当Nd3+掺杂量逐渐增加时，BZT基陶瓷样品的粒径呈现增大的趋势。因此，Nd3+的加入可以促进BZT基陶瓷晶粒的长大。这可能是当Nd3+对BZT中的Ti4+进行取代时，由于Nd3+的电价与Ti4+的不同，为了保持电价平衡，会产生一定的氧空位，氧空位有利于物质的扩散，进而促进晶粒的长大。

图2 Nd掺杂量(摩尔分数)对BZT基陶瓷表面形貌的影响：(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掺杂量不同对锆钛酸钡陶瓷样品性能的影响

图3所示为Nd掺杂量的不同对BZT基陶瓷样品的介电常数和容温变化率的影响情况。表1所列为该陶瓷体系的主要性能参数。从图3(a)中可以看出，随着Nd3+掺杂量的增大，BZT基陶瓷的最大介电常数呈现出先增大后减小的变化趋势。众所周知，陶瓷样品致密性对其介电常数有着重要的影响。当Nd3+掺杂量在摩尔分数0.0～0.07%范围内变化时，BZT基陶瓷的介电常数增大，这可能是由于BZT基陶瓷的相对密度增大所导致。当Nd3+掺杂量进一步增大时，BZT基陶瓷的相对密度减小，从而导致BZT基陶瓷的介电常数显著降低。由图3(b)中可知，当Nd3+掺杂量在摩尔分数0.0～0.06%范围内变化时，BZT基陶瓷的容温变化率均符合Y5V标准。而当Nd3+掺杂量为摩尔分数0.07%时，其相对密度最大为93.2%，其室温介电常数较高为16032，但是不符合Y5V标准。

图3 Nd掺杂量对BZT基陶瓷介电特性的影响：(a)介电常数；(b)温度稳定性Fig.3 Temperature dependence of the dielectric properties as a function of the Nd content for the BT ceramics：(a)dielectric constant；(b)TCC

图4 Nd掺杂量对BZT基陶瓷介电损耗的影响Fig.4 Temperature dependence of the dielectric loss as a function of the Nd content for the BZT ceramics

图4为不同Nd掺杂量下BZT基陶瓷的介电损耗图。由图4和表1可知，当Nd3+掺杂量在摩尔分数0.04%～0.08%范围内变化时，样品的介电损耗随着Nd掺杂量的增加而逐渐减小，且其室温介电损耗均小于0.82%，这可能是因为BZT基陶瓷材料的极化方式主要以离子极化为主，而离子之间的距离会随着Nd掺杂量的增加而增大。离子之间的距离增大离子极化则变得缓慢，从而导致介电损耗也随之变小。

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

3 结论

采用溶胶-凝胶一步法制备了Y5V型锆钛酸钡基陶瓷。研究了Nd掺杂量对其微观形貌及介电性能的影响。结果表明：随着Nd掺杂量的增大，钛酸钡基陶瓷的晶粒尺寸增大，介电常数呈现出先增大后减小的变化趋势；当Nd掺杂量为摩尔分数0.07%时，其最大介电常数达到最大值21013，室温介电损耗较小为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

陕西省教育厅项目(16JK1040)；宝鸡市科技局(16RKX1-4)；宝鸡文理学院校级重点项目(ZK16054)