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铋基复合钙钛矿掺杂的(K_(0.5)Na_(0.5))NbO_3无铅介电陶瓷的电学性能研究

严潇  
【摘要】:随着电子设备不断向轻量化、低成本和高品质方向发展,要求相应的元器件必须兼具小型化、高性能、低成本和环境友好等特征。铌酸钾钠基无铅介电陶瓷是一类备受关注的环境友好型电子材料,其各方面的综合性能较好,例如,高的居里温度为实现宽的介电温度稳定区间提供了可能,这一特点可以实现该材料在多层陶瓷电容器(英文简称MLCC)高温领域的应用。为了促进铌酸钾钠基陶瓷在该领域的发展,越来越多的研究者投身于其中,但是由于其在高温下金属元素(K,Na)的挥发导致(K_(0.5)Na_(0.5))NbO_3(KNN)的性能未达理想值,因此提高KNN的电学性能具有重大意义。本文采用传统的固相烧结法制备Bi(Cu_(2/3)Nb_(1/3))O_3(BCN)、Bi(Ni_(2/3)Nb_(1/3))O_3(BNN)、Bi(Ni_(3/4)W_(1/4))O_3(BNW)、Bi(Mg_(3/4)Mo_(1/4))O_3(BMM)、Bi(Li_(1/3)Ti_(2/3))O_3(BLT)等铋基复合钙钛矿化合物掺杂的KNN基无铅介电陶瓷。系统研究了陶瓷样品的微观相结构、介电学性能(ε_r)和和阻抗特性等特性。(1)掺杂BCN、BNN、BNW、BMM、BLT的KNN陶瓷相结构均为单一的钙钛矿结构,没有第二相的生成,说明这几种掺杂分别与KNN形成了固溶体,且SEM显示陶瓷晶体生长良好。(2)0.99KNN-0.01BCN陶瓷在温度区间120oC到342oC内具有较高介电常数ε_r~1502,低的介电损耗tanδ≤0.035,较好的温度稳定性Δε/ε_(120°C)≤±15%;压电常数最大能达到131pC/N,铁电性能优异。在132°C到346°C内,0.99KNN-0.01BNN陶瓷具有高ε_r~1657,Δε/ε_(132°C)≤±10%,tanδ≤0.037。另外,(1-x)KNN-xBNN陶瓷的阻抗谱表明,陶瓷材料的电阻主要是由晶粒贡献。(3)0.99KNN-0.01BNW具有高ε_r~1590(140°C~350°C),Δε/ε_(140°C)≤±15%,tanδ≤0.04(140°C~411°C)。在123°C到348°C区间内,0.99KNN-0.01BMM陶瓷有ε_r~1418,Δε/ε_(123°C)≤±15%,tanδ≤0.036(109°C~348°C)。两组陶瓷的阻抗谱表明,氧空位是可能的离子载流子的运动通道。(4)0.99KNN-0.01BLT在110oC到330oC内ε_r~1551,Δε/ε_(110°C)≤±9%,tanδ≤0.036(101.5oC~388oC),且其压电常数最大值能达到145pC/N。阻抗谱表明氧空位是可能的离子载流子的运动通道。以上结果表明,铋基复合钙钛矿化合物掺杂的KNN基无铅介电陶瓷可以作为高温温度稳定型器件的备选材料。


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