氧化物电子陶瓷材料的微波处理研究

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本文根据微波烧结的基本原理,通过与常规烧结的对比分析,系统研究了氧化物电子陶瓷材料的微波处理,包括具有代表性的NTC热敏陶瓷,PTC热敏陶瓷,ZnO压敏陶瓷,BST热释电陶瓷等材料的微波烧结,粉体材料的微波合成,以及PZT铁电薄膜材料的微波退火研究。并从热力学和动力学观点分析了陶瓷材料的微波烧结机理。其主要内容归纳如下: 在微波烧结工艺方面,自主设计了MgAl2O4-LaCrO3型保温体,有效的解决了由于氧化物电子陶瓷样品的热性能(高热膨胀性,低热传导性)而在微波烧结的快速升降温过程中容易导致的热应力开裂问题,极大地提高了氧化物电子陶瓷微波烧结的成品率,为微波烧结技术得以在电子陶瓷行业规模化生产的应用解决了一个关键问题。采用该保温体首次成功实现了大尺寸(直径为50mm)NTC热敏陶瓷均匀无开裂成瓷的微波烧结,并获国家发明专利授权。 首次采用NiCrAl合金管屏蔽的热电偶,避免了普通热电偶在微波场中的放电打弧(arcing)造成的测温不准,可以用于微波烧结过程的温度测量,测温精度±10℃,应用温区达到了1350℃。在微波烧结中的测温精度高于目前采用的光学高温计和红外光纤测温仪。 通过对微波烧结缓变型Y3+掺杂(Ba0.6Sr0.4)TiO3型PTC陶瓷研究,发现微波烧结可获得与常规烧结相似的PTC材料性能参数,但微波烧结使该材料的烧结温度由常规烧结的1350℃降低到微波烧结的1150℃,全程烧结时间由常规烧结的28小时降低到微波烧结的4小时,在能源节约方面具有优势。微波烧结BaTiO3电子陶瓷时,当所加的微波功率超过一定值时,首次发现烧结样品出现轴向异常收缩现象,采用SEM、XRD等分析发现其微观结构与常规烧结有巨大的差异,这是BaTiO3材料的晶粒在微波场中受电场:力作用而发生的取向生长造成的。 对用纳米粉体制备的ZnO压敏生坯进行了微波烧结,并与普通烧结同批次样品作性能及微结构比较。对烧结后的样品进行了微观分析和压敏特性测试,结果表明,微波烧结可使ZnO压敏材料快速成瓷,当获得样品的晶粒尺寸相同时所需微波烧结温度更低,烧结时间更短;微波烧结样品的压敏电性能参数明显优于常规烧结的样品,如采用微波烧结ZnO,1100℃/20min,获得了非线性系数α为48,漏电流IL为0.3μA的压敏陶瓷,而同样尺寸的样品在常规烧结1100OC/120 min时的非线性系数 a二乃,漏电流 IL=0.9 u A。 采用微波合成①a,Sr)TIOs(BST)粉体可以将合成温度从常规的1100OC降至微波合成方法的900℃,合成粉体的尺寸从常规方法的320urn降至微波合成粉体的 50urn。微波烧结 Ba*a们 材料在 1310℃/25min条件下获得了晶粒约 lpffi的细晶BST陶瓷。 利用微波加热的选择性可以抑制含铅氧化物电子陶瓷中铅的挥发,从而有利于控制铅含量及材料的微结构。如对PZT铁电薄膜进行微波退火处理,不仅退火温度被显著降低,同时还阻止了氧化铅挥发造成的薄膜表面的微裂纹,从而使PZT簿膜样品上电极的完好率有大幅提高。 通过对烧结机理的分析,推论出微波烧结过程中材料的晶界及界面处的温度比晶粒内部要高,并通过实验得到了验证。通过对NTC热敏陶瓷微波烧结和常规烧结样品的高分辨电镜(HREM)分析,观察到微波烧结样品的微观结构以点缺陷为主,而常规烧结样品的微结构中很少有点缺陷,分析认为样品在微波烧结过程的荷质传输中起主要作用的可能是点缺陷,而与常规烧结的热扩散机制不同。在钛酸钡陶瓷的微波烧结实验中,发现了当所加的微波功率超过一定值时,由于材料内部电场的作用造成样品内部轴向扩散机制的增强,从而在样品的宏观尺度上的轴向收缩率是径向收缩率的近2倍,在显微结构上观察到了晶粒的取向生长结构。并结合电磁场理论解释了发生这种现象的微观机理。
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