● 摘要
在大容量电容器、电子元件小型化和集成化等方面有潜在应用价值的巨介电陶瓷材料已成为近年来研究的热点。2000年，一种具有类钙钛矿结构的CaCu3Ti4O12 (CCTO) 材料由于具有极高的介电常数，以及良好的温度稳定性，受到了广泛的关注，但这种材料同时也具有较高的介电损耗，难以得到实际应用。但与CCTO结构类似的Bi2/3Cu3Ti4O12陶瓷材料是否也具有高的介电性能，相关报道很少且性能较差，也尚未见用液相法制备Bi2/3Cu3Ti4O12陶瓷。因此，本文采用溶胶-凝胶法制备Bi2/3Cu3Ti4O12陶瓷并优化制备条件，研究Na+取代Bi3+后形成的NaxBi(2-x)/3Cu3Ti4O12陶瓷的相结构、微观形貌以及电性能的影响，探讨产生巨介电的缘由，系统研究Cu、Ti偏离化学计量比对其陶瓷性能的影响，以期获得介电性能优异的新型介电材料。主要内容如下：
1. 分别采用溶胶-凝胶法和传统固相法制备Bi2/3Cu3Ti4O12陶瓷。首先研究反应Ti浓度、水浴温度和陈化时间对陶瓷相结构和介电性能的影响，从而筛选出最佳的溶胶-凝胶制备粉体的条件为：反应Ti浓度为0.62 mol/L，水浴温度为40 °C，陈化时间为16 h。其次研究烧结条件对陶瓷电性能的影响，得到最佳烧结条件为：预烧温度为800 °C，烧结温度为1000 °C。在最佳的工艺条件下用溶胶-凝胶法制备的Bi2/3Cu3Ti4O12陶瓷介电常数达到~1.2×104，而用固相法制备的Bi2/3Cu3Ti4O12陶瓷介电常数只有~3000。研究表明Bi2/3Cu3Ti4O12陶瓷具有巨介电性是缘于半导化的晶粒和绝缘的晶界。同时发现溶胶凝-胶法制备的Bi2/3Cu3Ti4O12陶瓷在介温谱上出现了两组介电弛豫峰，而固相法制备的Bi2/3Cu3Ti4O12陶瓷仅有一组介电弛豫峰。在~200 °C附近出现的介电弛豫I在两种方法制备的陶瓷中都可以观察到，研究表明它是由晶界处的Maxwell-Wagner效应引起的，在~300 °C附近出现的介电弛豫II仅在溶胶-凝胶法制备的Bi2/3Cu3Ti4O12陶瓷中出现，经实验验证，它是由氧空位分布状态的改变引起的。
2. 研究Na+取代Bi3+得到Na0.5Bi0.5Cu3Ti4O12陶瓷的烧结条件，优化最佳烧结工艺参数。在最佳烧结条件下改变Na+取代量，研究组分变化对NaxBi(2-x)/3Cu3Ti4O12陶瓷性能的影响，结果发现，NaxBi(2-x)/3Cu3Ti4O12陶瓷的介电损耗得到大幅降低，当Na+取代量为0.5时，介电损耗约为0.038（1 kHz）。通过研究不同组分NaxBi(2-x)/3Cu3Ti4O12陶瓷的阻抗谱图以及电模量、电导率，计算晶界电阻值，揭示了介电损耗降低的原因。
3. 系统研究Cu、Ti偏离化学计量比对Bi2/3Cu3Ti4O12陶瓷相结构、微观形貌以及介电性能的影响。研究表明，当Cu含量欠缺时，陶瓷的介电常数大幅增长，当Cu欠缺量为0.2时，从标准化学计量比的8000增至2.2×104。当Cu含量过量时，陶瓷的介电常数大幅下降。相应的，当Ti过量时，陶瓷的介电常数大幅增长，当Ti过量0.2时，陶瓷的介电常数增至2.4×104，Ti含量不足时，陶瓷的介电常数大幅下降。通过研究其阻抗、模拟的晶界晶粒阻抗值表明，Cu含量过量、Ti含量欠缺时，IBLC效应被削弱，导致了介电常数的下降。
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