钛酸钡基陶瓷的组分调控及其介电与抗还原性能研究

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陶瓷电容器因其具有优异性能而在电子元器件领域广泛应用。随着陶瓷电容器在一此苛刻工况条件下的应用,对陶瓷电容器的介质材料提出了更高要,即在宽温区范围内同时具有高介电常数和低介电损耗。钛酸钡(BaTiO3)因其在居里温度处具有大介常数成为了Y系列电存器的最佳候选材料。此外,多层陶瓷电容器(MLCLCC)因其独特的介质层与内电极共烧工艺,使得采用贱金属作为内电极并在还原性气氛下与电极共烧成为制备难点。本文研究了稀土元素掺杂改性(Ba0.95Ca0.05)(Zr0.19Ti0.81)O3(BCZT)陶瓷的电学性能和居里温度调节的影响规律,并研究了陶瓷的低温烧结工艺,为制备和Ni电极低温共烧的MLCC提供了技术支撑。本论文做的主要工作如下:(1)采用传统固和反应法制备了Y3+分别在A位、B位和A/B位不同掺杂位置的(Ba0.95Ca0.05)(Zr0.19Ti0.81)O3(BCZT)陶瓷,研究了Y3+不同掺杂位置对陶瓷的相结构与微观形貌、介电性能和导电性能的影响。Y3+可以成功地掺入到BCZT晶格中,(200)峰的偏移证明Y3+成功进入到设计的空位中。A位掺杂对晶粒尺寸和居里温度不大,而B位掺杂导致晶粒尺寸和居里温度随掺杂浓度的增加而减小,对于A/B位掺杂样样品,其品粒尺寸和居里温度与掺杂浓度有关,基中A位掺杂Y3+含量为1.5 mol%的样品在室温下获得了17443的介电常数和0.014的低介电损耗,且在-30~85℃范围内,介电常数变化率在82%~+22%之间。(2)从平均尺寸效应(<R>)、方差效应(σ2)、局部电场和容忍因子(t)理论等方面讨论了居里温度的调节机理。居里温度调节的主要因素在不同的掺杂位置也不同。当A位掺杂时,σ2效应是主导因素,而当B位掺杂时,<R>效应是主导因素。上升的σ2使得居里温度稳定,上升的<R>值使得居里温度迅速降低,容忍因子t与化合价是否匹配也对居里温度有显著影响。(3)采用传统固相反应法制备了添加ZnO-B2O3的Y3+B位掺杂的陶瓷,分別在空气气氛被Ag电极和还原性气氛Ni电极,研究了不同烧结助剂含量和不同气氛处理对于其相结构与微观形貌、介电性绽和导电性能的影响。烧结助剂和还原性气氛不会改变其相结构,烧结助剂的引入成功将陶瓷烧结温度从1475℃降到1250℃,ZnO-B2O3属于B位受主取代引入氧空位,高温下载流子迁移速率加快使得电导率上升。在还原性气氛下,陶瓷致密性变差,Y3+的受主掺杂降低了电子浓度,Zr4+增加了对氧空位的束缚,减小氧空位在晶格中的溢出,增大了介电常数,显示出一定的抗还原性。最佳组分在室温下成功获得了 8695的较大介电常数和0.023的较低介电损耗以及9.2×107 Ω·m的绝缘电阻率,在-30~85℃范围内,介电常数变化率在-82%~+22%之间。这项工作为改善BaTiO3基陶瓷的介电性能以及居里温度调节提供了理论基础,并为制备BaTiO3/Ni内电极共烧的多层陶瓷电容器(MLCC)提供了技术支撑。
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