烧结温度对水热合成0.5BCT-0.5BZT陶瓷结构和介电性能的影响

《Micro and Nanostructures》：Effect of Sintering Temperature on the Structural and Dielectric Properties of Hydrothermally Synthesized 0.5BCT-0.5BZT Ceramics

无铅复杂钙钛矿陶瓷0.5BCT-0.5BZT通过环保水热法合成并不同温度烧结（900-1300℃），研究表明烧结温度升高导致晶粒尺寸增大（0.12-0.39μm）和致密化，XRD证实单相结构无次生相，介电常数随温度升高至1300℃达到峰值，铁电性能（剩磁、矫顽力）提升，适用于高功率无铅电容器和储能器件。

　　

Gun Anit Kaur | Neha Kumari | Sahil Kumar | Mamta Shandilya

印度索兰（Solan）舒利尼生物技术与管理科学大学（Shoolini University of Biotechnology and Management Sciences）物理与材料科学学院，邮编173229

摘要

通过环保的水热法制备了无铅复合钙钛矿0.5BCT-0.5BZT陶瓷，并在900至1300°C的不同温度下进行烧结。详细讨论了烧结温度对晶粒尺寸变化的影响。X射线衍射证实形成了单一相的钙钛矿结构，没有二次相出现；峰位的移动表明由于Ca²⁺和Zr⁴⁺的掺入导致晶格发生了畸变。扫描电子显微镜（SEM）分析显示，随着烧结温度的升高，晶粒尺寸（0.12–0.39 μm）逐渐增大，密度增加，同时孔隙率降低。在100 Hz至100 kHz的频率范围内测量了温度依赖的介电性能。当烧结温度升至1300°C时，BCT-BZT材料表现出高度致密的微观结构。相对介电常数随烧结温度的增加而增加，在1300°C时达到最大值，这得益于晶粒生长和密度的提高。该材料在高温下表现出扩散型相变行为和低介电损耗，适用于电容器应用。铁电（P–E）测量结果显示，随着烧结温度的升高，饱和度和剩余极化强度增加，矫顽场减小，这与畴壁移动性的提高一致。这些结果表明，烧结条件的优化显著提升了水热合成BCT–BZT陶瓷的介电和铁电性能，使其成为高性能无铅电容器和储能设备的有力候选材料。

章节摘录

引言

由于工业化的快速发展，能源需求不断增加，能源价格也在上升，这已成为一个主要问题。现代研究重点关注更清洁、可持续的能源来源，如太阳能、风能、振动能、热能等。近年来，科学界在探索、开发和设计新型纳米材料方面投入了大量努力。

实验

使用水热法在不同烧结温度下制备了0.5BCT-0.5BZT陶瓷。所有起始材料包括八水合氢氧化钡（Ba(OH)²*8H₂O（Sigma Aldrich，纯度99%）和四异丙氧基钛（C12H28O4Ti）（Sigma Aldrich，纯度99%）均被均匀混合。首先制备了起始材料的均匀混合物，然后逐滴加入氢氧化钾（KOH）以保持溶液的pH值大于7。

XRD分析

图1（A, B）显示了在900°C、1000°C、1100°C、1200°C和1300°C下烧结2小时的BCT-BZT样品的室温XRD图谱。XRD峰清晰且明显，表明样品具有良好的结晶性和均匀性。此外，衍射图谱显示形成了钙钛矿相，没有其他二次相或成分蒸发。所有布拉格峰均与标准BaTiO₃图谱（37, 38）相对应。

结论

总之，研究了复合钙钛矿材料BaTiO₃的结构和形态特性，以适用于不同的能量收集应用。通过环保的水热法在不同烧结温度下制备了无铅复合钙钛矿BCT-BZT。详细讨论了烧结温度对晶粒尺寸变化的影响，并在100 Hz至100 kHz的频率范围内测量了温度依赖的介电性能。

作者贡献声明

Sahil Kumar：撰写、审稿与编辑、监督、数据分析。Gun Anit Kaur：初稿撰写、资源获取、方法设计、数据整理、概念构建。Mamta Shandilya：撰写、审稿与编辑、监督、数据整理。Neha Kumari：软件使用与数据可视化。

作者声明

作者确认不存在利益冲突。

利益冲突声明

作者声明在本文的发表过程中不存在任何利益冲突。

关于写作过程中使用生成式AI和AI辅助技术的声明

我们使用了ChatGPT-4来提高文章的可读性和语言表达。使用该软件后，内容经过了彻底审查和编辑，以确保准确性和符合作者的意图。

资助情况

本研究工作未获得任何资助机构的支持。

利益冲突声明

作者声明在本文的撰写过程中不存在任何可能影响研究结果的财务利益冲突或个人关系。

致谢

作者感谢印度索兰（Solan）舒利尼大学（邮编173229）提供的必要实验室研究设施。