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中温烧结钛酸钡锶基电容器陶瓷的研究

黄新友  
【摘要】: 以(Ba,Sr)TiO_3为基(简称为BST),采用传统电容器陶瓷制备工艺和常规电容器陶瓷原料,借助正交设计法研究各种掺杂助剂的种类和用量对中温烧结BST基电容器陶瓷介电性能的影响,确定了影响中温烧结的BST基陶瓷介电性能的主次因素,其性能随各因素水平影响的趋势,得到最佳配方。 在正交实验的基础上用单因素变量法研究铅硼玻璃、Bi_2O_3/Li_2O固溶体、CaZrO_3、Nb_2O_5/Co_2O_3及其加入量对(Ba,Sr)TiO_3基陶瓷中温烧结、性能以及结构的影响,研究其作用机制,认为4PbO.B_2O_3、Bi_2O_3/Li_2O固溶体在烧结过程中形成液相,使得晶粒发生重排,强化晶粒接触,气孔充分排出,促进晶粒发育,提高瓷体致密度,从而达到降低烧结温度的目的,并通过成分起伏相变影响瓷料的介电温度特性,添加不同量的CaZrO_3对瓷料的改性机理不一,掺杂少量CaZrO_3使得样品发生叠峰现象,提高样品的介电常数,掺杂过量的CaZrO_3则是通过固溶缓冲展宽机制和粒界缓冲展宽机制影响瓷料的介电性能。掺杂Nb_2O_5和Co_2O_3的压峰和展宽作用较为明显,分析其原因是形成了壳一核结构,限制晶粒长大。讨论分析了各掺杂物的作用机理。采用传统工艺和常规原料制备电容器陶瓷,通过调整配方和工艺,得到一系列中温烧结介电性能优良的BST电容器陶瓷配方。 采用正交设计实验、Bi_4Ti_3O_(12)单因素变量法掺杂实验、Dy_2O_3单因素变量法掺杂实验研究了各组分对高压X7R特性钛酸钡锶基电容器陶瓷介电性能、显微结构和烧结温度的影响,探讨了各组分对钛酸钡锶基电容器陶瓷性能影响机理,为研制高压X7R特性多层陶瓷电容器用介质材料提供了依据。得到介电性能好的晶粒尺寸在1μm左右的高压X7R型中温烧结多层陶瓷电容器用介质材料。 CdO的引入有利于Nb_2O_5和Dy_2O_3的固溶和扩散,从而有效的降低了材料的烧结温度,提高材料的介电常数,同时可以改善陶瓷中晶粒的形貌,抑制晶粒的长大。过量的Nb_2O_5偏析于晶界,阻止晶界移动,抑制晶粒生长,从而形成细晶结构。Ca~(2+)和Zr~(4+)分别进入晶格中部分Ba~(2+)和Ti~(4+)位置,都能降低居里点处的介电常数峰值,使居里温度向低温方向偏移,并能抑制晶粒的长大,提高介电常数。 Bi_4Ti_3O_(12)玻璃相包裹晶粒和填充粒间,构成瓷体的复杂非均匀结构。异相对BaTiO_3铁电相的制约作用,使B位阳离子所处的势阱深度变浅,表现为ε-T特性曲线较平坦。 在钛酸钡基陶瓷中微量掺杂稀土氧化物Dy_2O_3可以抑制晶粒生长,产生细晶效应,使得居里峰在整个工作温区内弥散展宽,获得较高的介电常数和良好的容量温度特性,满足X7R特性,可以大幅度提高钛酸钡锶基陶瓷的耐压强度。 在钛酸锶钡基陶瓷中微量掺杂稀土氧化物Y_2O_3可以抑制晶粒生长,产生细晶效应,使得居里峰在整个工作温区内弥散展宽,获得较高的介电常数和良好的容量温度特性,并可以大幅度提高钛酸钡锶基陶瓷的耐压强度。当Y_2O_3掺杂量为0.6wt%和Dy_2O_3掺杂量为1.0 wt%时,分别得到中温烧结综合性能较好的电容器陶瓷。Yb_2O_3的加入没有改变BST陶瓷的晶体结构,大大提高BST陶瓷的介电常数。当Yb_2O_3的加入量为0.9 wt%时,采用碳酸锂作为烧结助剂,得到介电常数高达10000的中温烧结BST电容器陶瓷。 MgO掺杂后的样品的介电峰被压抑和展宽,表现出扩散相变。从XRD谱图可知,MgO掺杂后的样品仍为单一的钙钛矿结构。当MgO掺杂量为0.2wt%和1.0wt%时,分别得到综合性能较好的中温烧结的钛酸钡锶陶瓷。 Bi_2Sn_2O_7掺杂物包裹晶粒和填充晶粒间,构成瓷体的复杂非均匀结构。这种异相对(Ba,Sr)TiO_3铁电相有制约作用,使B位阳离子所处的势阱深度变浅,表现为ε-T特性曲线较平坦。当Bi_2Sn_2O_7掺杂量为30wt%时,得到综合性能好的符合X7R特性烧结温度为1150℃的中温烧结钛酸钡锶陶瓷。 在Ba(CH_3COO)_2-Sr(NO_3)_2-Cd(NO_3)_2-Ti(OC_4H_9)_4-H_2O-CH_3COOH-CH_3CH_2OH体系中,采用溶胶凝胶法研究了(Ba_(0.70)Sr_(0.25)Cd_(0.05))TiO_3(BSCT)超细粉体的制备。采用x-射线衍射仪和比表面积测定仪研究了加水量、热处理温度等对BSCT纳米粉体的颗粒尺寸、物相组成和比表面积的影响,用扫描电镜和透射电镜观察了BSCT纳米粉体的颗粒尺寸和形貌。得到多层陶瓷电容器用BSCT纳米粉体,粉体的平均粒径为80nm左右,比表面积为13.64m~2/g。干凝胶经过950℃热处理即可形成钙钛矿相,比传统固相合成法低250℃~300℃。 采用溶胶-凝胶法制备的(Ba_(0.70)Sr_(0.25)Cd_(0.05))TiO_3超细粉体研究了(Ba_(0.70)Sr_(0.25)Cd_(0.05))TiO_3超细陶瓷的制备,其平均晶粒尺寸约为1μm;得到综合性能较好的(Ba_(0.70)Sr_(0.25)Cd_(0.05))TiO_3超细陶瓷。随着晶粒尺寸的减小,(Ba_(0.70)Sr_(0.25)Cd_(0.05))TiO_3陶瓷材料介电常数峰值有大幅度的提高,相变温区有变窄趋势。 采用柠檬酸-硝酸盐燃烧法研究了超细钛酸钡锶(BST)粉体和掺杂BST粉体的制备;研究了柠檬酸量、溶液的PH值、热处理温度和分散剂对超细BST粉体的物相和形貌及颗粒大小的影响,确定了最佳的柠檬酸量、PH值、热处理温度和分散剂(乙二醇)的量。得到超细BST粉体,其相结构为立方相钙钛矿结构,平均粒径约为50-100nm,颗粒形貌为不规则球形。同时还得到掺杂的超细BST粉体,平均粒径约为70nm。 采用溶胶-凝胶法研究了Bi_4Ti_3O_(12)粉体的制备,得到的超细Bi_4Ti_3O_(12)粉体相结构为铋层状结构,粒径约为70nm左右。 在超细BST粉体及含有Mn、Mg、Zn、Y和Co掺杂的BST粉体中掺杂超细Bi_4Ti_3O_(12)粉体制备了混合BST粉体。利用BST混合粉体进一步研究了超细晶BST陶瓷的制备。研究了烧结温度、Bi_4Ti_3O_(12)掺杂量和微量元素掺杂对超细晶BST陶瓷表面显微结构和介电性能的影响。得到了具有好的介电性能超细BST电容器陶瓷,其烧结温度为1200℃和1150℃,陶瓷的平均粒径为0.5μm。


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