共摻雜鈦酸鋇交流陶瓷電容器材料制備、結(jié)構(gòu)與性能研究.pdf

1、多層片式陶瓷電容器(MLCCs)是電子信息領(lǐng)域中核心的元器件之一，被大量地使用在儲能、耦合、濾波、調(diào)諧、控制、振蕩等電路中。其中，鈦酸鋇(BaTiO3)已被廣泛應(yīng)用于制備Ⅱ類溫度特性系列MLCCs，但其在交變電場中的穩(wěn)定使用還存在局限。反復(fù)的電致伸縮和內(nèi)電場應(yīng)力容易造成電介質(zhì)材料的擊穿。因此，交流用MLCCs介質(zhì)材料應(yīng)具有合適的介電常數(shù)、穩(wěn)定的電容-溫度系數(shù)、低介電損耗以及高耐交流擊穿特性。本課題采用稀土和金屬氧化物共摻雜BaTiO3，

2、改善其介電性能和耐擊穿交流特性，并通過添加LiF降低其燒結(jié)溫度，制備出穩(wěn)定性好、性能優(yōu)良、并且在1100℃下燒結(jié)的MLCCs陶瓷瓷粉?，F(xiàn)取得的成果如下:
　?。ㄒ唬┩ㄟ^固相法合成Y-Zn-Ga-Si共同摻雜的鈦酸鋇陶瓷，研究單摻和共摻雜對介電性能、微觀結(jié)構(gòu)和耐交流擊穿特性的影響。其中，組分為BaTiO3-0.025Y2O3-0.025ZnO-0.01 Ga2O3-0.01 SiO2的陶瓷樣品在1340℃下燒結(jié)3h能夠獲得優(yōu)良的性能

3、:εr=2690，tanδ=1.0％(at1 KHz)，ΔC/C25＜15％(-55℃-125℃)，交流耐擊穿場強E＜3.73kV/mm。從XRD中2θ衍射角在31°-32°之間的晶面峰位移動情況可推斷，Y3+、Zn2+和Ga3+都能夠摻入到晶格中， Y3+能夠進入Ba位和Ti位，而Zn2+和Ga3+進入Ti位。Y3+單獨摻雜，能使物相發(fā)生從四方相向正交相的轉(zhuǎn)變，但在Zn2+和Ga3+的共同作用下，最終成為贗立方相。Zn和Ga元素單摻的

4、鈦酸鋇為四方相結(jié)構(gòu)，但是Zn2+的受主摻雜能夠引入過量氧空位，造成晶界偏析，從而有效地抑制晶粒生長，促使晶粒排布趨于規(guī)整，并降低介電損耗。Ga3+的單獨摻雜對陶瓷的介電性能改善效果不明顯，但和Y及Zn元素共同作用下，能夠避免第二相Y2Ti2O7的產(chǎn)生，降低致密化燒結(jié)溫度，改善介電性能。Y-Zn-Ga-Si共摻雜體系能夠形成核殼結(jié)構(gòu)，其中，Y3+、Zn2+和Ga3+能在晶格中擴散進入一定深度，形成贗立方相的殼結(jié)構(gòu)，Y3+能夠進入更深的部位

5、，形成正交相的核結(jié)構(gòu)。
　　（二）通過固相法合成Y-Al-Ga-Si共同摻雜的鈦酸鋇陶瓷，分析其物相組成、微觀結(jié)構(gòu)、介電性能及耐交流擊穿特性。其中，組分為BaTiO3-0.06Y2O3-0.01Al2O3-0.02Ga2O3-0.01 SiO2的陶瓷在1380℃下燒結(jié)3h能夠獲得優(yōu)良的性能:εr=2223，tanδ=1.1％(at1 KHz)，ΔC/C25＜15.26％（-55℃-150℃），交流耐擊穿場強E＜4.49kV/mm。

6、從SEM照片及XRD物相分析可知，一定量的Y3+摻雜能夠限制晶粒生長，促進四方相向贗立方的轉(zhuǎn)變，降低介電損耗，以及平滑TCC曲線。但是過量的Y3+會和Ba2+反應(yīng)生成雜相BaY2O4。適量Ga3+的摻入能夠促進燒結(jié)，促使形貌更加規(guī)整有序，降低介電損耗和最大容溫系數(shù)(Max|ΔC/C25|)。但是過量Ga元素容易和Ba2+及Al3+反應(yīng)生成雜相Ba3Ga2O6和BaAlGaO4。Al元素對介電性能的提升并不顯著，主要起到輔助作用，而且容易

7、產(chǎn)生雜相BaAlGaO4及YAlO3，但由于Al3+的半徑小，在晶格中的滲透能力強，對離子遷移率的影響較大，因此能夠較好地提升交流耐擊穿特性。
　　（三）通過固相法合成Y-Mg-Ga-Si共摻雜的鈦酸鋇陶瓷，分析其物相組成、微觀結(jié)構(gòu)、介電性能及耐交流擊穿特性。其中，組分為BaTiO3-0.02Y2O3-0.03MgO-0.01 Ga2O3-0.005 SiO2的樣品在1380℃下燒結(jié)3h后表現(xiàn)出最佳的綜合性能:εr=2487，ta

8、nδ=0.7％(at1 KHz)，ΔC/C25＜6.56％（-55℃-125℃），交流耐擊穿場強E＜4.02 kV/mm。根據(jù)XRD分析可知，陶瓷為贗立方相BaTiO3，而從2θ衍射角在31°-32°之間的晶面峰位移動可知，Y3+和Mg2+能夠摻入到晶格中，Y3+能取代Ba位和Ti位，促進四方相向贗立方相的轉(zhuǎn)變和TCC曲線的平滑。Mg2+能夠取代Ti位，形成MgTi"-Vo¨復(fù)合偶極子和因為氧空位產(chǎn)生的彈性偶極子的“復(fù)合缺陷”，釘扎在疇

9、界處，造成晶界偏析，從而限制晶粒生長，減小介電損耗。適量Ga3+的摻入能夠提高介電常數(shù)，保持晶格的長程有序性，促使形貌更加規(guī)整均一。然而過多的Ga元素摻入會和Y元素反應(yīng)生成第二相Y3Ga5O12。Y元素和Ga元素主要分布在晶界處，促進核-殼結(jié)構(gòu)中殼層結(jié)構(gòu)的形成。
　　（四）采用LiF降低Y-Mg-Ga-Si共摻BaTiO3陶瓷的燒結(jié)溫度，揭示其降溫機制。添加2wt％的LiF進入2mol％Y2O3-3mol％MgO-1mol％Ga2

10、O3-0.5mol％SiO2-BaTiO3能夠有效地降低燒結(jié)溫度，從1380℃降到1100℃，并且保持優(yōu)良的性能:εr=1956, tanδ=0.8％(at1 KHz),ΔC/C25＜10.44％(-55℃-125℃),交流耐擊穿場強E＞4.50kV/mm。根據(jù)XRD中2θ衍射角在31°-32°之間的晶面峰位移動情況，Li+和F-能進入到晶格中。其中，Li+能夠進入Ti位，產(chǎn)生大量的氧空位，從而進一步阻礙晶粒生長。F-能夠取代O2-，弱