铁电电介质陶瓷材料介电常数-温度特性曲线的测定
4-陶瓷材料的介电常数的测定 - 副本
实验三 陶瓷材料的介电温度特性的测定高介电材料具有十分广阔的市场，因其在电气电子、IT 、电力等领域的重要应用一直是各国科学材料研究与开发的热点。
对于材料的介电的测试与评价，是一项重要的实验和科研技能。
一、实验目的（1）了解介电测试系统的基本原理，掌握材料介电常数的基本知识。
（2）学会陶瓷材料电极的制备方法。
（3）掌握测量材料的介电温谱的方法。
（4）掌握高介电材料的介电性质和温度及频率之间的关系。
二、实验原理1．介电常数的测量原理如图3.1所示，一面积为S 、间距为d 的平行板电容器，极板间为真空，其电容为C 0。
电介质在恒定电场（直流电场）作用下，两极板间的电压为U 0。
极板上的电荷为：00U C Q = （3.1）撤去电源，维持极板上Q 不变；并在两极板间充满均匀的各向同性的电介质。
则实验测得rU U ε0=（3.2）充满电介质的平行板电容器的电容为：0C C r ε= [ 00C U QU Q C r r εε===] （3.3） r ε -- 电介质的相对电容率；0ε -- 真空电容率；r εεε0= -- 电介质的电容率。
由于rU U ε0=，dU E 00=，则图3.1 平行板电容器简易图rr E d U d U E εε00===（3.4） 充满电介质后，平行板电容器的电场强度为原来的1/εr 倍。
电容器的电容不仅依赖于电容器的形状，还与极板间电介质的电容率有关。
因此，介质在外加电场时会产生感应电荷而削弱电场，原外加电场（真空中）与最终介质中电场比值即为介电常数（permittivity ），又称电容率.。
如果有高介电常数的材料放在电场中，场的强度会在电介质内有可观的下降。
极板间的电压越大，电场强度越大。
当电场强度增大到某一最大值E b 时，电介质分子发生电离，从而使电介质失去绝缘性，这时电介质被击穿。
电介质能承受的最大电场强度E b ，称为电介质的击穿场度。
dU E bb =（3.5） 在外加电压下，电介质中一部分电能转换为热能的现象，称为介质损耗。
(1-x)PST-xPZT铁电陶瓷的介电与热释电性能研究
(1-x)PST-xPZT铁电陶瓷的介电与热释电性能研究1蓝德均、江一杭、陈异、陈强、肖定全、朱建国*(四川大学材料科学与工程学院 四川成都 610064)E-mail: nic0400@摘要：以普通氧化物混合烧结法制备了高钙钛矿相的(1-x)PST-xPZT铁电弛豫陶瓷。
发现烧结温度和PZT掺入量对样品中的焦绿石相的存在影响很大。
样品的钙钛矿相成分随烧结温度升高而增加。
介电性能测试表明(1-x)PST-xPZT铁电弛豫陶瓷具有弥散型介电响应特征，(1-x)PST-xPZT铁电弛豫陶瓷的居里点T c和压电常数d33随PZT的掺入量的增加而增加。
室温下x=0.1的(1-x)PST-xPZT陶瓷样品的热释电系数可达到约15×10-8C/(cm2.K)。
关键词：PST－PZT陶瓷；弛豫铁电陶瓷；钙钛矿相；一步烧结制备1．引言钽钪酸铅Pb(Sc1/2Ta1/2)O3（PST）是一种热释电性能优良的典型B位复合铅基钙钛矿弛豫铁电陶瓷[1～3]。
由于纯PST的居里点较低（-5℃－25℃），需要在约1500℃的高温下烧结才能获得致密、具有钙钛矿结构且性能良好的材料[4]，从而限制了PST陶瓷材料的应用领域。
为了避免会引起陶瓷性能恶化的焦绿石相的形成，通常制备B位复合铅基钙钛矿驰豫铁电陶瓷的方法是先驱体法，即先将B位化合物或一种B位组份与一种A位组份[5]先行在高温下进行焙烧，制备出一种中间材料后再将组成陶瓷的其它组份化合物与前驱体混合后烧结得到所需的陶瓷。
但是有也研究表明[6,7]，用传统电子陶瓷制备工艺（以下简称一步法，One-Step-Sintering Method，OSSM），也可以制备出B位复合纯钙钛矿相陶瓷材料。
由于一般二元系的准同型相界（Morphotropic Phase Boundary,MPB）是一个范围很窄的区间，通过MPB成分的调整而达到调整材料综合性能的自由度很小；但对于三元或更多元系来说，其准同型相界一般是曲线甚至是曲面，故而在MPB附近进行组分调控可望进一步优化材料的综合性能[8]。
第五章 铁电介质陶瓷95
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1、立方BaTi03 是理想的钙钛矿型结构，每 个钙钛矿型晶胞中包含一个分 子单位。
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钙钛矿结构
Ba2+
Ti4+
O2-
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从离子堆积的角度看，O2-离子和 Ba2+共同按立方最紧密堆积，堆积成
O2- 离子处于面心位置的“立方面心
结构”，Ti4+ 离子占据着6个O2- 组成
的八面体空隙的中间。
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施加反方向电场，达－Ec时， 极化强度P才回到0，继续提高电 场强度，P在反方向表现出来，变 至H点与A点相应，极化达饱和， GH为直线，降至电场强度为0时， P=－Pr，再施加正电场至Ec，P又 恢复到0，再提高电场强度，则沿 Ec－A到A。
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施加外电场后，再也不会回到E=0， P=0的原点，而是沿一个回线运动，这 个回线称为电滞回线。 Ec所表示的电场强度称为该陶瓷材 料的矫顽场。BA的延长线与P相交，Ps 称为自发极化强度。 三、BaTi03陶瓷介电温度特性 1、≌1000，因为陶瓷中存在玻璃相， 使较BaTi03晶体的低。
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对容量要求一样时，用高介电常 数材料制备的电容器体积小，而用 低介电常数材料制备的电容器体积 很大。 为了减小元件的几何尺寸，各国 都在大力开发新的电介质陶瓷材料 和复合电介质材料。
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随着整机发展的要求，片式陶瓷
电容器、片式陶瓷电感、片式陶瓷
电阻等片式陶瓷元件，以及微叠层
陶瓷元件的研究，开发和生产的发
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5、畴壁：电畴与电畴之间的界面，称为
畴壁。
分为两种： （1）90o 畴壁：相邻电畴之间的取向相
差90o。 （2）180o畴壁：相邻电畴之间的取向相 差180o。
电介质陶瓷材料的介电性能测试及性能优化
电介质陶瓷材料的介电性能测试及性能优化介电性能是电介质陶瓷材料的关键物理特性之一。
它衡量了材料在电场作用下的响应能力和电介质材料在电场中存储电能的能力。
了解和优化电介质材料的介电性能对于研发高性能电子器件，如电容器和电子陶瓷元件，具有重要意义。
本文将讨论电介质陶瓷材料的介电性能测试以及性能优化方法。
首先，介电性能测试是评估电介质陶瓷材料性能的关键步骤。
常用的测试方法包括介电常数（εr）和介电损耗（tanδ）的测量。
介电常数是材料在电场中存储电能的能力的衡量，它指示了材料对电场的响应程度。
介电损耗则表示了材料在电场中能量损失的程度。
这两个参数通常使用电桥或矢量网络分析仪进行测量。
通过测试介电常数和介电损耗，我们可以了解电介质陶瓷材料的电性能及其适用性。
其次，性能优化是提高电介质陶瓷材料应用效果的关键。
以下是一些优化方法：1. 材料组成与配比优化：通过调整陶瓷材料的成分和配比，可以改变其晶体结构和微观结构，从而影响材料的介电性能。
例如，添加掺杂剂或调整烧结工艺可以减小晶粒尺寸，提高晶界阻抗，从而降低介电损耗。
2. 烧结工艺优化：烧结过程对材料的微观结构和性能有重要影响。
通过优化烧结工艺参数，如温度、时间和压力等，可以改善材料的致密性、晶粒尺寸和晶界结构，从而改善介电性能。
3. 表面处理与界面设计：材料的表面和界面特性可以影响其介电性能。
通过表面处理、涂覆或界面调控等方法，可以改善材料的界面特性，提高其界面状态和界面粘结能力，从而提高介电性能。
4. 成品后处理：部分材料在制备过程中，存在一些缺陷，如氧化物含氧量不足等。
在成品后处理阶段，可以使用氧化、还原或烧结再处理等方法来优化电介质陶瓷材料的性能。
5. 添加纳米颗粒：添加纳米颗粒可以改变电介质陶瓷材料的晶体结构和微观结构，从而改善其介电性能。
纳米颗粒的添加可以增加晶界数量，减小晶界宽度，从而增加晶界阻抗，提高材料的介电常数和降低介电损耗。
此外，纳米颗粒的表面效应还可以增强材料的界面特性，提高电介质材料的性能。
(完整word版)材料物理性能 实验五材料介电常数测定
材料介电常数的测定一、目的意义介电特性是电介质材料极其重要的性质。
在实际应用中，电介质材料的介电系数和介电损耗是非常重要的参数。
例如，制造电容器的材料要求介电系数尽量大而介电损耗尽量小。
相反地，制造仪表绝缘机构和其他绝缘器件的材料则要求介电系数和介电损耗都尽量小。
而在某些特殊情况下，则要求材料的介质损耗较大。
所以，研究材料的介电性质具有重要的实际意义。
本实验的目的：①探讨介质极化与介电系数、介电损耗的关系； ②了解高频Q 表的工作原理;③掌握室温下用高频Q 表测定材料的介电系数和介电损耗角正切值。
二、基本原理2。
1材料的介电系数按照物质电结构的观点，任何物质都是由不同性的电荷构成，而在电介质中存在原子、分子和离子等。
当固体电介质置于电场中后,固有偶极子和感应偶极子会沿电场方向排列,结果使电介质表面产生等量异号的电荷，即整个介质显示出一定的极性,这个过程称为极化。
极化过程可分为位移极化、转向极化、空间电荷极化以及热离子极化.对于不同的材料、温度和频率，各种极化过程的影响不同。
（1）材料的相对介电系数ε 介电系数是电介质的一个重要性能指标。
在绝缘技术中，特别是选择绝缘材料或介质贮能材料时，都需要考虑电介质的介电系数。
此外,由于介电系数取决于极化，而极化又取决于电介质的分子结构和分子运动的形式.所以，通过介电常数随电场强度、频率和温度变化规律的研究还可以推断绝缘材料的分子结构。
介电系数的一般定义为:电容器两极板间充满均匀绝缘介质后的电容，与不存在介质时(即真空)的电容相比所增加的倍数。
其数学表达式为 0a x C C ε= （1) 式中 x C ——两极板充满介质时的电容； 0a C —-两极板为真空时的电容；ε——电容量增加的倍数，即相对介电常数.从电容等于极板间提高单位电压所需的电量这一概念出发,相对介电常数可理解为表征电容器储能能力程度的物理量。
从极化的观点来看，相对介电常数也是表征介质在外电场作用下极化程度的物理量。
物理实验技术中的电介质性能测量方法与技巧
物理实验技术中的电介质性能测量方法与技巧电介质是电子学和电力系统中不可或缺的一部分。
电介质的性能测量是衡量其质量和可靠性的重要手段。
本文将介绍电介质性能测量的一些常用方法与技巧。
一、介电常数的测量方法与技巧介电常数是电介质性能的重要参数之一。
可通过多种方法测量。
其中，频率法是最常用的方法之一。
该方法通过改变测试信号的频率，测量电介质对电磁场的响应，确定介电常数。
测量时应注意以下技巧：1.1 利用阻抗测量方法，在不同的频率下测量电容与电阻值。
根据电容与电阻值的变化规律，可得到电介质的介电常数。
1.2 注意测试环境的稳定性，控制温度和湿度的影响。
温度和湿度的变化会影响电介质的性能，因此应在相对恒定的环境中进行测量。
1.3 使用合适的测量装置，如网络分析仪或LCR仪。
这些仪器能够提供准确的频率和阻抗测量结果。
二、介质损耗角正切的测量方法与技巧介质损耗角正切是衡量电介质功率损耗的重要指标。
常用的测量方法有如下几种：2.1 电桥法是一种常见的测量方法。
通过比较正弦波电桥的平衡与不平衡情况，可得到介质的耗散功率和相位差。
在实验中应注意调节电桥平衡，保持稳定的测量信号。
2.2 利用微小信号测量法，测量介电损耗角正切。
通过施加微小幅度的正弦信号，测量被测介质的电流响应，进而得到介质的损耗角正切。
在实验过程中应关注信号的幅度和频率选择，以避免测量误差。
2.3 进行频率扫描测量。
通过改变信号频率，观察介质损耗角正切与频率的关系，以确定其频率响应特性。
三、电介质的击穿强度测量方法与技巧击穿强度是电介质耐电能力的重要指标。
以下是常用的测量方法和技巧：3.1 空气间隙法是一种常见的测量方法。
通过在两个金属电极之间形成空气间隙，施加逐渐增加的电压，测量电介质的击穿电压。
在实验中应避免电极和电介质的不均匀性，以确保测量的准确性。
3.2 液体浸入法也是一种常用的方法。
这种方法适用于液体介质的击穿强度测量。
实验时应注意液体介质的温度、纯度和浸润性对测量结果的影响。
电介质材料的介电常数及损耗角正切测试
电介质材料的介电常数及损耗角正切测试介电常数和损耗角正切是描述电介质材料特性的重要参数，在电子工程和材料科学领域具有重要的应用价值。
本文将介绍电介质材料的介电常数和损耗角正切的测试方法和意义。
一、什么是电介质材料的介电常数？电介质材料的介电常数是描述材料对电场的响应能力的物理量，它反映了电介质材料内部存在的电偶极矩的强弱程度。
电偶极矩是电介质材料中正负电荷之间的分离产生的电荷生成的电场，介电常数越大，表示电介质材料对电场的响应能力越强。
二、电介质材料的介电常数测试方法1. 平板电容法平板电容法是一种常用的测量电介质材料介电常数的方法。
这种方法主要通过在电介质材料上施加电压，然后测量材料上产生的电容值，从而计算出介电常数。
2. 微波共振法微波共振法是用于测量电介质材料的介电常数的另一种常用方法。
该方法利用微波的特性，在不同频率下测量材料的反射和透射系数，从而得到材料的介电常数。
三、电介质材料的损耗角正切损耗角正切是描述电介质材料中电能转化为热损耗的能力的物理量。
损耗角正切越大，表示材料对电能的损耗越大。
电介质材料的损耗角正切与介电常数密切相关，通常情况下，介电常数与损耗角正切成反比。
四、电介质材料的损耗角正切测试方法1. 谐振法谐振法是一种测量电介质材料损耗角正切的方法。
该方法通过在材料上施加一定频率和振幅的交流电压，然后测量电压和电流的相位差，通过计算相位差的正切值得到损耗角正切。
2. 微波漏耗法微波漏耗法是另一种测试电介质材料损耗角正切的方法。
该方法通过在微波频率下测量材料的功率损耗，在已知电场强度下计算损耗角正切。
五、电介质材料的介电常数和损耗角正切的意义电介质材料的介电常数和损耗角正切是评价材料电性能的重要指标，对电子器件和电力设备的设计和性能分析具有重要的意义。
介电常数的大小直接影响电容器的容量和电压的分配。
在电子器件中，合适的介电常数可以减小电容器体积，提高装置的性能和可靠性。
损耗角正切是评估材料对电能损耗的能力，它与电介质材料的内部结构和分子极性密切相关。
Bi5TiNbWO15共生铁电陶瓷的介电特性
Bi5TiNbWO15共生铁电陶瓷的介电特性王晓娟【摘要】利用HP4192A低频阻抗分析仪研究了BisTiNbWO15共生铁电陶瓷的介电特性.从介电常数随温度变化谱上(5kHz≤f≤500kHz)观察到,600℃附近的相变峰具有明显的弥散特性,运用修正后的Curie-Weiss定律对该相变峰进行拟合,得到弥散因子γ接近于2,表明弥散程度很高.在200-400.C之间,介电损耗谱出现一个明显的弛豫型过程,通过Arrhenius关系拟合得到弛豫激活能为0.76eV,弛豫时间为5.80x1-13s,通过氧气氛处理和A位Nd掺杂证实了该弛豫行为与氧空位有关.氧气氛烧结和Nd掺杂能有效减少氧空位的浓度,随着氧空位浓度的减少,弛豫激活能增大.【期刊名称】《常熟理工学院学报》【年(卷),期】2010(024)004【总页数】5页(P50-54)【关键词】介电弛豫;损耗;相变;氧空位【作者】王晓娟【作者单位】常熟理工学院,物理与电子工程学院,江苏,常熟,215500【正文语种】中文【中图分类】O4690 引言共生结构（intergrowth）层状钙钛矿结构铁电材料，是由KiKuchi在1976年首先发现的[1]，随后Rao等人对其进行了进一步的研究[2，3].共生结构是由两种氧八面体层数（m）相差一层的铋系层状钙钛矿结构铁电材料（BLSFs）组成，其两种不同组成单元沿c轴方向交替排列.如Bi4Ti3O12-SrBi4Ti4O15（BIT-SBTi，m=3，4），在c轴方向上，类钙钛矿层（Am-1BmO3m+1）2- 与（Bi2O2）2+ 层交替排列顺序为：…（Bi2O2）2+- （Bi2Ti3O10）2--（Bi2O2）2+-（SrBi2Ti4O10）2--（Bi2O2）2+…[4].由于共生结构与各组成单元相比具有更复杂的结构和相对良好的性能而受到广泛的关注.Bi5TiNbWO15（BW-BTN，m=1，2）是由Bi2WO6（BW，m=1）和 Bi3TiNbO9（BTN，m=2）组构的一种共生结构铁电材料.这种具有高离子电导率的共生材料在燃料电池、氧传感器、氧气泵和化学传感器等方面具有良好的应用前景[5].电介质物理学研究的中心问题是电极化与弛豫，由于介电测量对材料的相变、缺陷和畴壁的运动等很敏感，因此广泛应用于铁电体材料的研究.目前有文献广泛报道了在许多钙钛矿型铁电氧化物中都观察到了介电弛豫行为[5-9].一般认为出现的介电弛豫过程主要与各种缺陷如：A位空位、空间电荷和氧空位等有关[5-9].本文重点研究了Bi5TiNbWO15共生陶瓷具有典型弥散性的介电相变行为以及温度范围在200-400℃之间出现的介电弛豫过程并确定了引起该行为的可能机制.1 实验方法用传统的固相烧结法制备了Bi5TiNbWO15（BW-BTN）陶瓷样品.所用原料是纯度均为99.00%的Bi2O3、Nb2O5和WO3以及纯度为98.00%的TiO2.在配料时加入过量值为5%的Bi2O3来补偿Bi元素在高温烧结过程中的挥发.首先将配好的原料球磨24h充分混合.烘干之后，在800℃下预合8h.然后压成直径为12mm、厚度约为1mm的圆片.最后样品在980℃下烧结4h，随后炉冷，得到致密的片状陶瓷样品.用X射线衍射仪（M03XHF22型，Cu靶，λ=1.54056Å）和激光拉曼光谱（Ar+激光束功率为300mW，波长λ=514.5nm）分析样品的微观结构.用低频阻抗分析仪（HP-4192A）测量样品的介电特性.2 结果和讨论2.1 X射线衍射分析图1为BW-BTN共生结构及其组成单元BW和BTN的X射线衍射谱.由图可以看出，BIT-BTN的（hkl）衍射峰位于BW 的（hkl-1）峰与BTN的（hkl+1）的中间位置.如BW 的（002）峰的位置为2θ=11.9°，BTN的（004）峰的位置为2θ=13.9°，相应的BWBTN （003）峰的位置为2θ=12.5°左右；BW，BW-BTN 和 BTN 的（113），（114）和（115）峰分别位于2θ等于28.2°，28.7°和29.1°左右.这说明共生结构已经形成.从图中还可以看出，制备的样品是单一的层状钙钛矿结构，没有出现杂相.图1 BW-BTN共生结构及其组成单元BW和BTN的X射线衍射谱2.2 Raman光谱图2为BW-BTN共生结构及其组成单元BW与BTN的Raman光谱.各个样品的Raman散射谱与文献报道的相一致[15-17].从三者的Raman谱相比较可以看到：和氧八面体有关的高频模有明显移动.各高频模分别对应了氧八面体的正交畸变和对称拉伸.具体情况如表1所示.表1 各样品与氧八面体有关的高频模样品BW BW-BTN BTN高频模正交畸变模（cm-1）706、829 704、889无对称拉伸模（cm-1）786 765、858 833图2 BW-BTN共生结构及其组成单元BW和BTN的Raman光谱形成共生以后，WO6八面体的拉伸模向低频方向移动，而（Ti，Nb）O6八面体的拉伸模向则高频方向移动.这可能是由于形成共生以后，WO6八面体被拉伸了，振动频率减小，因此向低频方向移动；而（Ti，Nb）O6八面体被压缩，振动频率增大，导致拉伸模向高频方向移动.2.3 介电特性利用HP4192A低频阻抗分析仪，我们测量了BW-BTN陶瓷的介电常数（ε）及损耗（tanδ）随温度的变化特性.其中测试频率范围为5kHz-500kHz，温度范围为室温至700℃.图3表示的是BW-BTN陶瓷的介电常数（ε）及损耗（tanδ）随温度的变化关系.图3给出了BW-BTN陶瓷在70kHz、100kHz、200kHz、315kHz和500kHz五个频率下介电常数随温度的变化曲线.在相变温度以下，介电常数ε总体上是随温度的升高而变大，并随测量频率的增加而减小.在整个测量温度范围内有两个介电峰，分别出现在350-450℃之间和500-700℃之间.首先来分析一下高温峰，我们认为这是BW-BTN陶瓷的相变峰.但是这一相变峰与正常铁电相变所表现的尖锐的介电常数峰不同.从图中可以看到它的温度跨度较大，不少于200℃，没有确定的居里温度，整个介电常数峰很圆滑，表现出典型的弥散性.对于弥散相变，在Tm以上，介电常数不再服从Curie-Weiss定律，而可用下述公式拟合.得到弥散因子为1.93，其拟合结果如图4中所示.γ的值已经相当接近理想弛豫铁电体的弥散因子2，表明BW-BTN陶瓷的相变弥散程度很大.在整个测量频率范围内，Tm的位置基本不随频率变化，所以此相变虽然弥散，但并不具有弛豫铁电体的特征.在Bi系层状钙钛矿材料中，某些Ba基化合物如BaBi2Nb2O9、BaBi4Ti4O15、Ba2Bi4Ti5O18、BaBi8Ti7O27的相变常常是弥散的[10-13].另外从La掺杂Bi4Ti3O12、SrBi4Ti4O15、Sr2Bi4Ti5O18以及共生材料Bi4Ti3O12-SrBi4Ti4O15的介温谱上发现，当La含量大于一定值时，几种材料均出现了相变弥散现象[14].与出现弥散相变相对应的是这些材料的铁电性能都出现了不同程度的下降甚至消失.当Ba完全取代Sr2Bi4Ti5O18中的Sr时相变弥散，同时铁电性能完全消失.所以我们猜测BW-BTN共生陶瓷铁电性能不佳原因可能与之相变的弥散性有关.一般认为：铁电相变的弥散是由离子无序所引起的成分不均匀造成的.值得注意的是共生结构BW-BTN出现结构无序的可能性是很大的，可能在沿c轴方向钙钛矿并不是像原来想象的严格按照1层-2层-1层的次序交替排列的，而是显示了一定的自由度，这种材料内部较大的无序性会导致铁电相变的弥散性.图3 BW-BTN陶瓷材料的介电常数(ε)在不同的测试频率下随温度的变化关系下面再来分析一下出现在350-450℃之间的介电常数峰.峰的位置表现出明显的频率色散性，峰温Tm随着频率的增大向高温方向移动.同时，介电损耗tanδ在温度稍低的左侧也出现了一个明显的损耗峰，我们认为两者是相对应的，如图5所示.这和许多文献报道的情况是一致的：tanδ的峰值出现在ε随温度变化最快的温度，而不是在ε达到最大值时的温度.因为极化建立的速度最快并不表示极化已经完全建立，只有当温度升高到使极化完全建立时，ε才能达到最大值.从介温谱上可以看出，总体上tanδ随温度的升高急剧增大.与其他铁电陶瓷材料如SrBi4Ti4O15和Sr2Bi4Ti5O18相比，损耗值明显要大很多，甚至比Bi4Ti3O12的还要大.随着测试频率的升高，该介电损耗峰明显的向高温方向移动，并且峰值略有提高.这种频率关系表明这一介电损耗峰是一个典型的热激活弛豫过程.对于热激活型的弛豫过程，弛豫时间和温度之间满足Arrhenius关系：τ=τ0exp （Erelax/kBT）.图5 BW-BTN陶瓷材料的介电常数(ε)和介电损耗(tanδ)在不同的测试频率下随温度的变化关系.(b)图中的点虚线和虚线分别是测试频率为5kHz时的损耗峰和背景其中τ0是指数前因子，T是绝对温度，Erelax是弛豫过程的激活能，kB为波尔茨曼常数.在峰值位置满足ωpτp=1，其中ω=2πf是角频率.如果以ln（ωp）为纵轴，温度的倒数为横轴，根据Arrhenius公式我们将得到一个线性关系.从直线的斜率和截距可以计算出弛豫激活能Erelax和弛豫时间τ0的值.图6是我们根据Arrhenius公式拟合弛豫损耗峰得到的线性关系.计算得到的拟合常数Erelax=0.76eV，τ0=5.80×10-13s.Wang等报道了在Sr-Bi2Ta2O9中与氧空位有关的激活能是0.97eV[14]；Shulaman等也得到在Bi4Ti3O12中与氧离子跳跃有关的激活能是0.87 eV[15]；Ang等报道了Bi：SrTiO3固熔体中与移动有关的激活能在0.74-0.86eV之间[9].和以上文献报道相比，我们得到的拟合结果也在上述范围之内，完全符合氧空位弛豫的特征.这种一致性表明在BW-BTN陶瓷中出现的这一损耗峰很可能与氧空位的热运动有关.为了进一步证实该损耗峰与氧空位有关，将Bi5TiNbWO15样品在氧气氛中烧结4h.选择测量频率为5kHz的损耗谱线，与原来在空气中烧结的样品相比较，结果发现损耗峰的峰高降低了，如图7所示.我们知道，在富氧条件下烧结可以减少材料内部的氧空位浓度，而根据点缺陷弛豫理论，介电损耗峰的峰高与缺陷的浓度是成正比的.因此我们可以判断：在Bi5TiNbWO15陶瓷材料中观察到的损耗峰是与氧空位有关的.而且经过氧气氛烧结后，氧空位的浓度有所降低.根据Arrhenius关系拟合得到的激活能和弛豫时间值如表2中所示.我们发现，随着氧空位浓度的降低，激活能增大.图6 介电损耗峰随温度变化关系的Arrhenius关系拟合.氧空位的激活能是从拟合直线的斜率计算得到的图7 Bi5TiNbWO15（空气中烧结和氧气中烧结）及Bi43Nd0.7TiNbWO15陶瓷在测试频率为5kHz下的介电损耗谱表2 不同样品的激活能和弛豫时间样品As-prepared Oxygen-treatment Nd-dopingatA-site激活能(eV)0.76 0.79 0.83驰豫时间(s)5.80×10-13 3.81×10-13 1.56×10-13以上的结论同样可以在Nd掺杂BW-BTN（0.70）陶瓷样品中得到印证.当Nd掺杂量为0.70时，选择测量频率为5kHz的损耗谱线与原损耗峰进行比较，发现介电损耗峰峰高明显下降.峰高的下降表明Nd掺杂有效地降低了氧空位的浓度.这是非常合理的：因为Bi2O3的熔点很低，在制备过程中容易挥发而产生铋空位，随之产生氧空位.在Bi4.3Nd0.7TiNbWO15中，用稳定性较好的Nd3+取代部分的Bi3+，减少了Bi的含量，制备过程中挥发掉的Bi也就相应减少.也就是说在保持化合价平衡的基础上，可通过适量同价Nd掺杂有效抑止Bi空位的产生，从而达到减少氧空位浓度的目的.这也充分说明了氧空位浓度与介电损耗峰之间的密切关系.同样根据Arrhenius关系拟合Bi4.3Nd0.7TiNbWO15中该损耗峰的激活能和弛豫时间的值分别是0.83eV和1.56×10-13s（见表2）.同样得到：氧空位浓度的降低，导致激活能升高.3 总结本文研究了Bi5TiNbWO15共生陶瓷的介电相变和弛豫行为.由介温谱观察到在600°C的相变峰具有明显的弥散特性，运用修正后的Curie-Weiss定律对相变峰做了拟合，得到弥散因子接近2，表明弥散程度很高.材料铁电性能不佳可能与之有关.通过氧气氛处理和A位Nd掺杂证实了在200-400°C温度范围内观察到的弛豫行为与氧空位有关.通过Arrhenius关系对该介电损耗峰的拟合，得到弛豫激活能为0.76eV，弛豫时间为5.80×10-13s.通过氧气氛烧结和Nd掺杂能有效减少氧空位的浓度，随着氧空位浓度的减少，氧空位的激活能增大.参考文献：[1]Kikuchi T.Synthesis of new,layered bismuth titanates,Bi7Ti4NbO21and Bi6Ti3Wo18[J].J Less-Common Met,1976,48：319-323.[2]Gopalakrishnan J,Ramanan A,Rao C N R,et al.A homologous series of recurrent intergrowth structures of the type Bi4Am+n-2Bm+nO3(m+n)+6formed by oxides of the aurivillius family[J].J 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实验 铁电电介质陶瓷材料介电常数-温度特性曲线的测定
一、目的要求
1．掌握铁电电介质陶瓷材料介电常数-温度特性的测试原理和方法；
2．通过实验，深刻理解铁电电介质陶瓷材料的居里温度的概念、相变扩散的概念、以及铁电陶瓷材料改性研究的意义；
3．掌握电桥法测定电介质材料低频介电性能的常用仪器、参数设定、以及影响测试精度的因素。
二、基本原理
铁电电介质陶瓷材料是制备“2类瓷介固定电容器”、各种压电陶瓷器件等的主要材料。
以“2类瓷介固定电容器”为例，其基本参数之一，即为电容量温度特性，根据国家标准的规定，2类瓷介固定电容器的进一步分类也是依据电容量温度特性而进行的，而该参数设计的主要依据是所选用的电介质的介电常数温度特性。
铁电电介质陶瓷材料一般具有一个以上的相变温度点，其中的铁电相和顺电相之间的转变温度被称为是居里温度，介质的介电常数随着温度的变化曲线（ε-T 曲线）显示，随着温度的升高，在相变温度附近，介电常数会急剧增大，至相变温度处，介电常数值达到最大值；如果所对应的相变温度是居里温度，那么随着温度的继续增加，介电常数随温度的升高将按照居里-外斯（Curie-Weiss ）定律的规律而减小。
居里-外斯定律为：
C
C T T εε∞=+− （1） （1）式中：C 为居里常数；T C 为铁电居里温度（对于扩散相变效应很小的铁电体，该温度通常比实际的ε-T 曲线的峰值温度小10º左右）；ε∞表示理论上当测量频率足够大时所测定的只源自快极化贡献的介电常数。
铁电电介质陶瓷材料的ε-T 曲线的另一个特点是，与单晶铁电体相比，在居里峰两侧一定高度所覆盖的温度区间比较宽，该温度区间称为居里温区，即对于铁电陶瓷来说，其介电常数ε具有按居里区展开的现象，该现象被称为相变扩散。
通过对材料的显微组织结构的调整和控制，可以改变介质的居里温度，同时可以控制材料的相变扩散效应，从而达到调整和控制介质的居里温度和在一定温度区间内的介电常数-温度变化率的目的。
本实验采用电桥法，通过测定在一定温度范围内的电容量随着温度的变化曲线，折算出该介质的介电常数-温度特性曲线。
如果采用圆片电容器试样进行测定实验，那么试样的电容量x C 与介质的相对介电常数之间的换算关系为：
r e 214.4x r hC e =F
（2） （2）式中：
x C 是被测试样的电容量，单位是pF ；
h 是试样介质的厚度，单位是㎝；
F 是试样电极的直径，单位是㎝。
在测定过程中，对材料的ε-T曲线的测定结果的影响因素很多，如测试夹具的影响，电连接导线的影响，升温或降温速度的影响等。
因此需要对测试结果进行科学地分析，对测试数据的误差范围进行科学地判断。
三、仪器与样品
1．测试装置示意图：
如图1所示为本实验采用的测试装置示意图，其中的WK-4225型LCR测量仪是一种低频测试电桥，其测试频率固定为1kHz，测试电压为1.0V；采用这种仪器可以直接测定试样在某一环境条件下的电容量值；恒温装置的作用是调整试样的测试温度，或控制样品的升温速度；所取得的实验数据可以通过计算机采集处理，直接绘制出介质的ε-T曲线。
采用本装置测定介质的ε-T曲线，可以采用逐点测定法，即先分别测定一系列特定温度点所对应的试样的电容量，然后绘制出ε-T曲线；也可以采用以某一速率连续升温（或降温）的方法直接通过数据采集系统绘制出ε-T曲线。
2．试样的准备：本实验采用“圆片型平板电容器”作为实验试样，其中的两个平行电极之一的面积与介质圆面面积相等，另一电极的面积小于介质的圆面面积。
对试样的电
F
容量和介电常数进行换算时，公式（1）中的电极直径值取与试样的较小的电极直径相同的值。
四、实验步骤
1．实验装置和样品的连接：按照图1的实验装置，把样品放置在样品室中，检查各个电连接点的连接状况；
2．电桥的准备：打开置于仪器后面的开关，可以看到键盘上Measure/Continous键红灯闪烁，Auto键红灯亮，1kHz频率键红灯亮，30分钟后可以进入测试状态；
3．温度控制装置的准备：①如果采用“逐点测定法”，即可按照预先设计的测定温度点，逐点控制样品室的温度，使温度保持5分钟时，测定对应温度点的试样的电容量值。
②如果采用“连续测量法”，即可按照预先设计的升温（或降温）制度，控制样品室的
温度变化进行测量；
4．通过数据采集系统绘制试样的ε-T曲线。
五、思考题
l．铁电电介质陶瓷材料居里温度是如何定义的？
2．钛酸钡单晶的居里温度是多少度，钛酸钡陶瓷的居里温区受什么因素的影响？
3．在居里温度两侧，ε-T曲线是否是对称的，为什么？
六、注意事项
1．必须采用标准的测试夹具和测试引线连接试样和仪器的测试端子；
2．试样室温度场的控制要尽量平稳，尽量减少温度波动，并且要对温度波动范围有准确的控制，以便能够对测量误差进行准确的判断；
3．在测试过程中，升温制度（或降温制度）不要中途改变，要保持测试过程的连续性；
4．在测试过程中，不要移动试样。