【摘 要】
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随着技术革命的迅猛发展,对新材料的需求日益迫切,材料科学面临着不断开发具有优异性能新材料的巨大挑战。2015年高熵陶瓷的出现,为开发具有高性能的高熵非金属材料提供了新的理念和路线,开辟了一个新的材料研究领域。目前高熵陶瓷体系和结构的研究热点主要集中在Rost发现的岩盐结构(Mg0.2Co0.2Ni0.2Cu0.2Zn0.2)O及其衍生材料,而对于具有丰富物理内涵的钙钛矿结构ABO3型高熵陶瓷研究甚
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随着技术革命的迅猛发展,对新材料的需求日益迫切,材料科学面临着不断开发具有优异性能新材料的巨大挑战。2015年高熵陶瓷的出现,为开发具有高性能的高熵非金属材料提供了新的理念和路线,开辟了一个新的材料研究领域。目前高熵陶瓷体系和结构的研究热点主要集中在Rost发现的岩盐结构(Mg0.2Co0.2Ni0.2Cu0.2Zn0.2)O及其衍生材料,而对于具有丰富物理内涵的钙钛矿结构ABO3型高熵陶瓷研究甚少。钙钛矿结构具有较宽泛容忍因子t的约束,表现出优异的物理化学性质,在太阳能电池、光催化、介电、铁电等方面有巨大的应用。因此,迫切需要开展B位BaMO3高熵陶瓷的研究。针对上述问题,本文基于高熵陶瓷的理念,以BaMO3钙钛矿结构高熵陶瓷为目标,采用固相反应法成功制备了五元、六元和七元高熵陶瓷,并对其相转变、显微结构和介电性能进行了研究。五元Ba(Ti,Sn,Zr,Hf,Nb)O3高熵氧化物在预烧过程可分为三个阶段,由多相态转变为晶格尺寸相近的两相态,最后转化为单相态。高价态Nb5+的存在使陶瓷在体内价态不均衡,以至于预烧粉末不能在较高温度烧结形成单相陶瓷,且存在元素分布不均匀现象。为平衡元素价态,在五元基础上掺入离子半径相似且低价态的Ga3+,成功制成六元Ba(Ti,Sn,Zr,Hf,Nb,Ga)O3单相钙钛矿高熵陶瓷,预烧和烧结过程中均能形成单相结构。同时采用正交试验得出较佳工艺条件,研究了烧结温度对陶瓷结构和性能的影响,介电呈现频率色散,介电常数和介电损耗随着频率的升高而不断降低,但介电常数较低。值得注意的是,高熵钙钛矿体系中,混合熵的降低会导致提高陶瓷成相温度,高熵钙钛矿陶瓷其成相主要驱动力为高熵。为进一步提高陶瓷的介电常数,在六元高熵陶瓷基础上掺入Li+制得七元单相高熵钙钛矿陶瓷Ba(Ti,Sn,Zr,Hf,Nb,Ga,Li)O3,其介电性能得到大幅度改善,介电常数达到2920(@100 Hz),与六元Ba(Ti,Sn,Zr,Hf,Nb,Ga)O3陶瓷57.3(@100Hz)相比提高了近50倍,所有高熵陶瓷介电损耗的主要形式为电导损耗,漏电流的主要机制为欧姆传导机制。本文采用XPS研究了高熵钙钛矿陶瓷的元素价态,通过元素价态的变化对陶瓷材料的结构形成和介电性能的变化做了初步解释。
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