BaTiO3-(Na1/4Bi3/4)(Mg1/4Ti3/4)O3介质陶瓷的结构、性能及其掺杂改性机理研究

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多层陶瓷电容器(MLCC)是电子信息技术的重要基础元器件,广泛应用于电子信息技术领域。钛酸钡(BaTiO3)具有很高的介电常数及长寿命的绝缘特性而被用于多层陶瓷电容器。本论文以改善钛酸钡的温度稳定性、提高介电常数以及降低烧结温度为主要研究目的。选取确定具有核-壳(Core-shell)结构的BaTiO3-(Na1/4Bi3/4)(Mg1/4Ti3/4)O3(BT-NBMT)新材料作为基础体系,探讨新材料体系的组成、显微结构以及性能之间的因果关系,设计实验探讨BT-NBMT体系Core-shell结构的形成机理,为了验证Core-shell结构形成机理以及改善BT-NBMT陶瓷体系的低温端的温度稳定性,在基础体系上分别引入两种不同熔点的物质(Bi2O3及MgO)来探讨 BT-NBMT体系中 Core-shell结构的形成因素以及形成机理,为了进一步改善BT-NBMT体系的低温稳定性,获得满足X8R及X9R(?C/C25 ℃≤15%)特性的介质材料,引入少量不同熔点的物质(Nb2O5、Ta2O5以及NaNbO3)降低低温峰对应的温度来改善瓷料的介电性能,同时验证BT-NBMT陶瓷晶粒Core-shell结构形成机理。具体内容如下:  1深入探讨了(1-x)BT-xNBMT(x=0.05~0.40)基础体系的结构及性能关系。(1-x)BT-xNBMT(x=0.08~0.40)体系的介温曲线上都能观察到两个介温峰,然而通过透射电子显微镜(TEM)以及拉曼光谱分析可知,x≤0.08的样品并没有出现明显的Core-shell结构,而是出现铁电宏畴以及极性纳米微区,影响着体系的介电性能以及铁电性。该样品的两个介温峰不依赖频率,呈现“马鞍形”特征,并且剩余极化及矫顽电场达到最大。通过透射电子显微镜及能谱分析仪(EDS)观察到0.8BT-0.2NBMT体系中丰富的Core-shell结构,分析了陶瓷晶粒Core-shell结构的形成机理。  2制备不同球磨时间下0.8BT-0.2NBMT陶瓷,比较球磨后粉体粒度以及烧结后陶瓷晶粒尺寸大小,论证了 BT-NBMT体系为溶解-沉淀机制,利用唯象晶粒生长动力学方法探讨0.8BT-0.2NBMT陶瓷样品的晶粒生长动力学指数n以及晶粒生长激活能Q,球磨20H及40H的陶瓷的n值分别为2.9和2.6。Q值分别为190±10kJ/mol及160±10kJ/mol。n及Q值反映了0.8BT-0.2NBMT陶瓷的晶粒生长机制,0.8BT-0.2NBMT陶瓷晶粒生长受到固溶体阻碍的控制,说明BT-NBMT体系生长机制倾向溶解-沉淀机制。  3用传统固相法制备两种不同熔点氧化物(Bi2O3及MgO)掺杂BT-NBMT陶瓷,进一步研究了BT-NBMT陶瓷晶粒的Core-shell结构倾向于溶解-沉淀机理。讨论了体系中Core-shell结构形成的因素,特别是钛酸钡及铋基钙钛矿复合体系,通过3RC等效电路对体系中阻抗谱进行拟合,研究 MgO以及 Bi2O3掺杂BT-NBMT陶瓷体系的电学性能以及导电机制。  4在BT-NBMT基础上,用不同熔点物质(Nb2O5、Ta2O5及NaNbO3)掺杂间接验证了BT-NBMT体系Core-shell结构溶解-沉淀机理,同时制备满足X8R以及X9R特性的材料。比较上述三种物质掺杂BT-NBMT体系后效果最佳的顺序为:NaNbO3、Nb2O5以及Ta2O5,性能最佳组分分别为:0.8BT-0.2NBMT-4.0mol%NaNbO3(ε25 ℃=1940,tanδ25 ℃=0.012,?C/C25 ℃≤15%的温度范围在-55~160 ℃)、0.8BT-0.2NBMT-1.75mol%Nb2O5(ε25 ℃=1750,tanδ25 ℃=0.008,?C/C25 ℃≤15%的温度范围在-58~157 ℃)以及0.8BT-0.2NBMT-1.5mol%Ta2O5(ε25 ℃=1643,tanδ25 ℃=0.010,?C/C25 ℃≤15%的温度范围在-56~160 ℃)。0.8BT1-0.2NBMT-2.0mol%Nb2O5陶瓷通过改变钛酸钡原料获得 X9R特性,其在ΔC/C25 ℃≤±15%的温度范围是-55~200 ℃,室温介电常数为1130,介电损耗为0.007。
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