亚微米BaTiO3 X7R MLC细晶陶瓷介质材料的介电性能研究

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本文基于晶体化学、材料物理化学、电介质物理等基础理论,运用XRD、TEM、EDX、SEM等现代微观分析手段,对亚微米钛酸钡超细粉料制备技术以及高介高性能X7R MLC瓷料和高压高性能X7R的介电性能进行了研究。1.全面分析了BaTiO3的细晶高介机理,即具有亚微米微观结构的钛酸钡陶瓷,晶粒大小均匀并保持在1微米以下,抑制了晶粒中90(畴的出现几率,晶粒内部处于高应力状态下,从而使居里点以下各温度点的介电常数上升,这种现象称为细晶效应,对于改善钛酸钡的电容量温度特性有重要的作用。当BaTiO3的晶粒尺寸约为0.7μm-1μm时,介电常数具有最大值。 2.采用共沉淀法、水热合成法可制得性能优良的BaTiO3超细粉体,平均粒径小于0.8μm,粒径分布范围窄,且不含硬团聚体,有利于制备介电性能优良的高介MLC瓷料。通过XRD分析,研究了不同热处理温度对共沉淀BaTiO3的晶格结构以及介电性能的影响,制备以四方相为主的BaTiO3粉料,提高系统的介电常数。3.在高介X7R MLC瓷料系统中,选用亚微米级的共沉淀BaTiO3为基,添加晶粒抑制剂Nb2O5、居里峰展宽剂MgO以及多种稀土氧化物,获得了细晶致密的微观结构和高介电常数及其他优良的介电性能。通过TEM、EDAX分析证实了Nb2O5在BaTiO3晶粒中的扩散速率很低,因此形成了独特的壳-芯结构,系统的介电性能是由铁电相BaTiO3晶芯和顺电相的掺Nb5+的 BaTiO3晶壳共同决定。电容量随温度的变化曲线出现双峰现象,改善了电容量温度特性。MgO的添加改善了负温区的电容量变化率,与Nb2O5协同作用加强了晶粒中壳的作用,增大了系统的内应力,从而提高了介电常数,使整个温区的电容量变化率变得平坦。稀土氧化物对钛酸钡基陶瓷的化学改性分为两种情况,即产生化学非均匀性的壳-芯结构系统和化学均匀性系统。掺杂呈现化学均匀性的稀土添加物有La2O3、Sm2O3和Nd2O3。La2O3 可以改善高温区的电容量变化率,电容量温度变化曲线呈现单一的峰值。Sm2O3抑制居里峰的作用较强,可以将居里峰值大幅度移向低温。Nd2O3对BaTiO3的改善作用强于前两种添加物,随着添加量的增加,整个低温段(低于20℃)的介电常数温度曲线变得平坦,基峰的强度提高。化学非均匀性的稀土添加物有Pr6O11、Gd2O3,其中Gd2O3的添加改性使系统获得了理想的介电性能,与其他离子的协同改性使系统成为具有高介高性能X7R介质瓷料。 <WP=3> 研制成功的高介细晶X7R瓷料介电常数大于4700,为制备高比容、超薄介质层的MLC奠定了基础。4.在X7R特性的高压MLC瓷料系统中,仍以亚微米级的共沉淀BaTiO3为基料,分别添加微量的CaZrO3、ZnO、SrCO3、MgO和稀土氧化物(Ho2O3、Er2O3或Y2O3)。 Ho2O3、Er2O3或Y2O3具有较小的离子半径,掺杂后可使BaTiO3系统的电滞回线明显变窄,剩余极化降低,从而使极化随电场变化时产生的能量损耗减小,同时能够增加系统的绝缘电阻率,增强BaTiO3在高电场下工作的可靠性,有效地提高耐压强度Eb。 MgO、CaZrO3对BaTiO3的居里峰展宽作用显著,ε峰值降低,ε温度特性平坦; ZnO熔点较低,微量掺杂时,聚集在晶界处,促进了烧结,并抑制晶粒的生长,形成致密瓷体,提高了系统的耐压强度。 研制成功的高压细晶X7R瓷料击穿场强高于14KV/mm,介电性能指标优于国外同类产品,并填补了国内空白。
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