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BaTiO_3基中高压瓷介电容器材料的研究

顾玉艳  
【摘要】: 采用正交设计实验法研究了配方对(1-Z)(Ba_(1-x-y)Sr_xCa_y)TiO_3·Z(Bi_2O_3·3TiO_2)系中高压陶瓷电容器介电性能的影响,得到了影响该系统陶瓷介电性能的主次因素,各因素水平影响其性能的趋势:对介电常数而言,主次影响因素的顺序为SrTiO_3、Bi_2O_3·3TiO_2、CaTiO_3:对介电损耗而言,主次影响因素的顺序为Bi_2O_3·3TiO_2、SrTiO_3、CaTiO_3;对耐压强度而言,主次影响因素的顺序为CaTiO_3、SrTiO_3、Bi_2O_3·3TiO_2。同时得到了综合性能最佳的瓷料配方(X=0.3、Y=0.1、Z=0.03)和介电损耗最低、耐压强度最大的瓷料配方(X=0.4、Y=0.15、Z=0.04)。前者在1240℃烧结、保温60min的瓷件性能为:εr=3802、tgδ=0.42%、Eb=9.2kv/mm;后者在1220℃烧结、保温60min的瓷件性能为εr=2089、tgδ=0.06%、Eb=16.9kv/mm。 研究了ZnO、ZrO_2、Nb_2O_5掺杂对(1-Z)(Ba_(1-x-y)Sr_xCa_y)TiO_3·Z(Bi_2O_3·3TiO_2)系材料介电性能的影响,发现掺杂ZnO、Nb_2O_5能够有效抑制晶粒长大,改善瓷体的烧结和显微结构。结果表明:在(1-Z)(Ba_(1-x-y)Sr_xCa_y)TiO_3·Z(Bi_2O_3·3TiO_2)系瓷料中掺杂少量的ZnO可以大幅提高介质材料的耐压强度,掺杂少量的Nb_2O_5可以大大降低介质材料的介电损耗。复合掺杂ZnO、ZrO_2、Nb_2O_5可以明显地改善(1-Z)(Ba_(1-x-y)Sr_xCa_y)TiO_3·Z(Bi_2O_3·3TiO_2)系中高压瓷介电容器材料的介电性能。0.98(Ba_(0.7)Sr_(0.2)Ca_(0.1))TiO_3·0.02(Bi_2O_3·3TiO_2)试样掺杂ZnO、ZrO_2、Nb_2O_5后,其εr上升到3469,tgδ下降到0.4%,Eb提高到9.4kv/mm,这些性能明显地高于未掺杂的性能(εr=2108、tgδ3.1%、,Eb=7.4kv/m)。实验中还探讨了组分对介电性能影响机理,为研制高介、低损耗、高耐压电容器陶瓷提供了依据。 研究了烧成工艺制度对电容器陶瓷性能和结构的影响,结果表明:在一定的升温保温时间下,瓷料的最佳烧结温度主要取决于组成中Bi_2O_3·3TiO_2的含量,Bi_2O_3·3TiO_2含量的增加将降低烧结温度;在合理的烧结温度范围内,慢速升温和低温烧结将有利于得到细晶致密结构,从而改善中高压陶瓷电容器的耐压强度。 研究了BaTiO_3合成温度对电容器陶瓷材料介电性能的影响。本实验中BaTiO_3粉料最适宜的合成温度是1150℃,其所制得电容器陶瓷介电性能较好。 用差热分析、X射线衍射分析技术研究了粉料的合成及产物晶相,确定了烧块的合成温度。用扫描电镜分析技术研究了烧成制度对瓷介材料结构、致密情况的影响,发现不同烧结制度对瓷介材料的结构、致密情况不一样,因而介电性能也就不同。


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