掺杂对钛酸钡锶高压陶瓷电容器介质材料性能的影响

来源 :江苏大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:wumingshan2009
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钛酸锶钡(Ba1-xSrxTiO3)是由钛酸钡和钛酸锶形成的固溶体,因其具有较高的介电常数、低的介电损耗以及较好的容温特性而被研究用于高压陶瓷电容器介质材料。本文旨在通过掺杂改性获得耐压强度高、容温特性好、又保持较高介电常数和较低介电损耗的陶瓷电容器介质材料。以Ba0.65Sr0.35TiO3(BST)为基体,采用传统电子陶瓷制备工艺,借助X射线衍射仪(XRD)、扫描电镜(SEM)和能谱分析仪(EDS)等检测方法分别研究了MgTiO3、 MgSnO3、 Bi3NbZrO9、CaTiSiO5以及CaTiO3掺杂量对BST陶瓷物相、显微结构以及介电性能的影响,并对其作用机理进行了分析讨论。  MgTiO3掺杂并没有改变BST陶瓷的晶体结构。Mg2+先后发生A位取代、A位取代和B位取代共存、B位取代为主的取代方式。MgTiO3具有明显的细晶能力,使颗粒大小变得均匀、细化,气孔减小,致密性提高,对降低介电损耗、提高耐压强度、改善容温特性具有很好的效果。掺杂量为1.2wt.%时具有最佳的介电性能:εr=2030,tanδ=0.0024,Eb=4.7kV/mm(AC),在-30℃~85℃温度范围内,△C/C值为12%~-45%。  MgSnO3掺杂BST陶瓷样品的物相中除了BST主晶相外,还存在少量Mg2TiO4和Sr2Ti5O12杂相。MgSnO3掺杂,Sn4+全部固溶到了BST晶格,形成了Ba0.65Sr0.35Ti1-xSnxO3固溶体。采用MgSnO3对BST进行掺杂,具有一定的移峰、压峰并且展宽作用。掺杂量为1wt.%时,BST陶瓷具有较佳的介电性能:εr=2516,tanδ=0.005,Eb=6.1 kV/mm(AC),但是在-30℃~85℃温度范围内,△C/C值比较大,为113%~-60%。  Bi3NbZrO9掺杂没有改变主晶相结构,但是随着掺杂量的增加会出现SrO2、SrTi9Nb4O29、 Ti9O17和Bi4Ti3O12杂相。少量Bi3NbZrO9掺杂时,晶粒界面整洁,孔洞和杂质较少;掺杂较多时,颗粒有团聚现象,晶界变得模糊。掺杂量为1wt.%时,BST陶瓷具有较佳的介电性能:εr=2325,tan=0.0048,Eb=7.8 kV/mm(AC),-30℃~85℃温度范围内,△C/C值为73.7%~-64.1%。可能掺杂量较多时,对改善容温特性才明显。  在本实验掺杂浓度范围内,CaTiSiO5掺杂的陶瓷材料的介电损耗都比较小,但是对材料居里峰的移动和展宽效应都不明显。掺杂量为1wt.%时,BST陶瓷的介电常数最大、介电损耗最小、交流耐压强度最高,εr=2453,tanδ=0.0031,Eb=6.25kV/mm(AC)。在-30℃~85℃温度范围内,△C/C值较大,为38.8%~-58.8%。  CaTiO3掺杂会导致BST陶瓷材料的衍射峰曲线略向大角度偏移。少量的CaTiO3掺杂会使BST陶瓷形成细晶结构,气孔率减小,致密度提高,提高材料的交流耐压强度。当掺杂量为10mol%时,BST陶瓷具有最佳性能:εr=4480,tanδ=0.025,Eb=4.8 kV/mm(AC),在-30℃~85℃温度范围内,△C/C值为-1.7%~-65.9%。
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