高温MLCC陶瓷材料的组成及工艺研究

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掺杂改性BaTiO3(BT)基X8R多层陶瓷电容器(MLCC)由于具有高介电性能与平缓的电容温度特性(-55℃~150℃,△C /C25℃≤±15%),已得到了大量的研究与应用。然而,X8R瓷料在150℃以上无法实现稳定的介电性能。目前,MLCC在新型车载用电子控制装置、航空航天、石油钻探等设备中有了大量的应用,这些电子设备的工作环境极为苛刻,对MLCC的工作温度上限也提出了更高的要求。因此,研究与发展高温MLCC陶瓷材料已经成为国内外当前研究的重点。BaTiO3的居里温度在130℃左右,在此温度以上,材料要满足△C/C25℃≤±15%非常困难。因此,必须探索新的材料体系以满足高温下的容量温度特性要求。本论文主要通过对高居里温度的无铅压电陶瓷材料(Bi0.5Na0.5)(1-x)BaxTiO3(BNBT)和(Bi0.5Na0.5)(1-x)CaxTiO3(BNCT)进行掺杂改性,成功制备了-55℃ 200℃温度范围内,电容温度变化率在±15%以内的高温MLCC介质材料。主要研究内容为:1.主要研究了离子掺杂对BNBT、BNCT体系陶瓷介电性能的影响。采用三种碱土金属(Sr、Ca、Mg)离子对BNBT陶瓷进行掺杂。研究发现,Ca2+掺杂可提高室温介电常数,降低介电损耗,并显著改善电容温度特性,使介温曲线变得平坦。Mg2+掺杂使介电损耗、介电常数降低,但电容量变化率较大。而Sr2+掺杂使BNBT陶瓷的转变温度升高,使得高温电容变化率增大。对比三种碱土离子的掺杂效果,我们得出结论,只有Ca2+掺杂能有效展宽BNBT陶瓷的介温曲线。在BNCT体系中,通过Mn2+、Ba2+掺杂,均能提高转变温度,压低电容温度变化率低温段、抬高高温段。但是,相对Mn2+,Ba2+在压低低温段时候,高温段上升幅度较大,难于满足△C/C25℃≤±15%的要求。2.分别研究了非化学计量比对BNBT、Ca掺杂的BNBT(BNBT-Ca)体系介电性能的影响。通过研究BNBT陶瓷中的组成非化学计量比发现Ba、Bi含量增大,都使得转变温度增大,电容温度变化率低温段升高,介电常数减小。相反,Ti含量增大使转变温度减小,电容温度变化率高温段被压低,介电常数增大。BNBT-Ca体系中,增大Ba、Bi含量,都能使电容温度变化率高温段被抬高,而Ti含量增大使高温段被压低;增大Bi、Ti含量,可减小介电损耗,而Ba含量增大使介电损耗变大。3.研究了BNBT-Ca体系中助烧剂掺杂对介电性能的影响。系统研究了ZnO、CuO、CuBi2O4、Ca-B-Si(CBS)微晶玻璃对BNBT-Ca陶瓷掺杂的降烧效果,结果表明:CuBi2O4、Ca-B-Si(CBS)微晶玻璃掺杂在降低烧结温度的情况下仍能满足△C /C25℃≤±15%要求,同时增大介电常数,而ZnO和CuO掺杂使得介电性能恶化,损耗增大。4.研究了工艺对BNBT-Ca陶瓷的介电性能和显微结构的影响。随着二次球磨时间的延长,晶粒细化,电容温度变化率曲线逐渐“平坦”,介电常数,损耗逐渐减小,达到饱和值后基本稳定不变;BNBT-Ca陶瓷预烧后,介电损耗降低,介温性能稳定。CaCO3的掺杂方式对介电性能影响很大,以外掺杂的方式引入CaCO3更能有效地展宽介温曲线。
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