钛酸钡和钛酸锶钡纳米颗粒的制备、晶体结构及微波吸收性能的研究

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钛酸钡(BaTiO3)作为具有高介电系数、低介质损耗、优良的铁电压电性能、以及良好的绝缘性能等特点的电子陶瓷,广泛应用于电子陶瓷工业,被誉为“电子陶瓷的支柱”。钛酸锶钡(BaxSr(1-x)TiO3, BST)也是一种重要的电子陶瓷材料,广泛应用于可调谐微波器件、高密度电容器、移相器、相控阵天线等器件的制造。随着电子器件尺寸的缩小,纳米尺寸BST粉体的应用变得非常广泛,而BST粉体在不同晶相结构下,铁电性质会发生很大的变化,因此,对纳米尺寸BST粉体铁电相变的研究具有很重要的意义。近年来,军事吸波材料和移动通信设备的快速发展,使得微波介质材料成为国际上对电介质材料研究的一个新动向。由于BaTiO3和BaTiO3都存在介电损耗,主要通过介质的电子极化、离子极化或界面极化来吸收、衰减电磁波,其有可能成为优良的吸波材料。本论文研究工作主要围绕着BaTiO3, BaxSr(1-x)Ti03的制备、表征以及微波吸收应用展开的。具体来说,论文的主要内容包括以下两个部分:1.通过水热法合成了具有中空结构的花托状BaTiO3纳米颗粒和球形BaTiO3纳米颗粒,颗粒尺寸在50-100nm之间,室温下为四方晶相结构。花托状BaTiO3纳米颗粒的形成与Ti(钛源)前驱体的形貌和反应时间有关。通过研究不同反应时间的样品,发现花托状BaTiO3纳米颗粒的形成过程先后经历了原位生长和溶解-再结晶两个阶段。微波吸收性能测试结果表明,花托状BaTiO3纳米颗粒的微波吸收性能强于球形的BaTiO3纳米颗粒,在电磁波频率为11.36GHz时,其最高反射损耗值可达-28.38dB,而球形BaTiO3纳米颗粒的最高反射损耗值为-12.87dB。由于具有孔结构,花托状BaTiO3纳米颗粒的微波吸收性能比球形的BaTiO3纳米颗粒增强了120%。2.通过水热法合成了粒径尺寸在30-50nm的钛酸锶钡(BaxSr(1-x)TiO3,BST,x=1,0.91,0.65,0.5,0)纳米颗粒。BST纳米颗粒从室温25℃到300℃的拉曼光谱测试结果表明:BST纳米晶体的居里温度Tc随着Sr含量的增加而急剧下降,在Sr含量为9%时Tc接近室温,在Sr含量大于9%时,Tc低于室温。居里温度Tc随Sr含量的下降在纳米颗粒中比在体材料或者薄膜材料中更剧烈。同时,发现随着温度的升高,BST纳米颗粒的拉曼光谱在远大于Tc的某一温度,在300cm-1处出现明显的四方晶相的[E(TO+LO),B1]光学声子模,随温度升高出现了顺电相-铁电相的反向相变,这一反常相变的出现说明当粒尺寸下降到纳米级时,BST晶体在高温下易产生晶格畸变。同时,对BST纳米颗粒微波吸收性能的研究表明,随着Sr含量的增加,BST纳米颗粒的微波吸收性能增强,SrTiO3纳米颗粒具有最大反射损失值,在12.72Hz处达到-8.89dB。这一结果说明,BST是一种潜在的微波吸收材料,并且,可以通过调节Sr含量,优化BST纳米颗粒的微波吸收性能。
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