多层陶瓷脉冲功率电容器的研制

发布时间：2017-08-19 22:01

  本文关键词：多层陶瓷脉冲功率电容器的研制

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【摘要】：在对脉冲功率要求较高的应用领域,比如石油勘探、点火系统以及电磁发射等,陶瓷电介质以其脉冲功率大、充电时间短、充放电效率高和循环寿命长等优点具有相当大的前景,但相比于锂离子电池和超级电容器来说,多层陶瓷电容器(Multilayer Ceramic Capacitor,MLCC)储能密度较低,从线性电介质材料的储能密度公式出发,在保证较高介电常数的基础上,提高介质击穿场强是增加材料储能密度的主要途径。本文选取在I类瓷中具有最高介电常数的金红石TiO_2作为陶瓷原料,以脉冲放电为应用目的,从材料和器件两方面进行了相关研究。金红石TiO_2中存在的氧空位会恶化材料介电性能,二价锰(Mn)掺杂能够降低TiO_2的电导损耗和极化损耗,其中0.05mol%Mn掺杂TiO_2在1050℃烧结并保温9小时的样品在100Hz-1MHz频率范围内介电常数维持稳定,损耗低于0.01,在298K-423K温度范围内介电常数漂移9%,损耗低于0.05。由于电导率降低,Mn掺杂TiO_2在室温下介电常数125,击穿场强可达38.07 kV/mm,计算储能密度为0.81J/cm3。分别用固相法法和溶胶凝胶法制备了BaO-B_2O_3-Al_2O_3-SiO2无碱玻璃,利用多次球磨预烧的方式能够提升固相法玻璃包覆陶瓷基体的均匀性,而利用溶胶凝胶法包覆掺Mn的TiO_2能够进一步提高击穿场强,常温下复合电介质在100Hz-1MHz频率范围内介电常数保持稳定,并且损耗低于0.005,在298k-473k的温度范围内,电容量的漂移10%,玻璃含量为15wt%的样品储能密度为1.43 J/cm3,是不添加无碱玻璃样品(0.81 J/cm3)的1.76倍,并从极化特性曲线可以看出,Mn掺杂TiO_2与无碱玻璃复合电介质的能量转化效率可达~95%。利用LTCC生产线制备了纯TiO_2的多层陶瓷电容器,通过绝缘电阻测试发现,几乎所有烧结条件下的#1 MLCC(~25μm)处于导通状态,不具备电容特性,而#2 MLCC(~50μm)的电阻能够达到MΩ级,利用欧姆定律计算出#2器件的电阻率低于同样烧结条件下的金红石TiO_2陶瓷圆片,并结合断面SEM图分析得出器件失效原因主要为:一是流延膜的质量欠佳,共烧时电极浆料往介质层内部渗透,造成了介质层有效厚度的降低;二是钯/银离子在烧结推动力的作用下往TiO_2的晶格中扩散,金属离子的出现增加了介质的电导率。
【关键词】：二氧化钛 受主掺杂 无碱玻璃 储能密度 多层陶瓷电容器
【学位授予单位】：电子科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TM53
【目录】：

• 摘要5-6
• Abstract6-10
• 第一章 绪论10-23
• 1.1 脉冲功率技术及其发展10-14
• 1.2 陶瓷电介质的分类以及储能密度14-15
• 1.3 电介质储能材料研究现状15-19
• 1.3.1 铁电材料16-17
• 1.3.2 反铁电材料17-18
• 1.3.3 线性电介质材料18-19
• 1.4 多层脉冲陶瓷电容器的关键技术19-21
• 1.4.1 陶瓷电介质材料的选择19-20
• 1.4.2 提高晶粒的均匀性和陶瓷的致密度20-21
• 1.4.3 提高介电常数和击穿场强21
• 1.5 本论文的主要研究内容21-23
• 第二章 研究方法23-29
• 2.1 实验试剂和设备23-24
• 2.2 实验和分析测试方法24-29
• 2.2.1 固相烧结法24-25
• 2.2.2 溶胶凝胶法25
• 2.2.3 多层陶瓷电容器（MLCC）的生产工艺25-27
• 2.2.4 介电和铁电性能测试27
• 2.2.5 XRD分析27-28
• 2.2.6 SEM表征分析28-29
• 第三章 氧空位对TiO_2介电性能的影响29-42
• 3.1 金红石TiO_2的电子结构29-30
• 3.2 金红石TiO_2的晶格缺陷30-32
• 3.3 研究内容32
• 3.4 实验结果分析与讨论32-41
• 3.4.1 晶格结构与微观形貌分析32-34
• 3.4.2 介电频率特性34-37
• 3.4.3 介电温度特性37-39
• 3.4.4 极化特性以及储能密度39-41
• 3.5 本章小结41-42
• 第四章 TiO_2与玻璃复合性能研究42-58
• 4.1 简介42-43
• 4.2 固相法玻璃包覆TiO_2的储能特性研究43-50
• 4.2.1 实验方法与内容43-44
• 4.2.2 实验结果与分析44-50
• 4.2.2.1 玻璃的热分析44
• 4.2.2.2 介电频率特性44-46
• 4.2.2.3 介电温度特性46-48
• 4.2.2.4 微观结构与储能密度48-50
• 4.3 溶胶凝胶法玻璃包覆Mn掺杂TiO_2的储能特性研究50-57
• 4.3.1 实验方法与内容50-51
• 4.3.2 实验结果与分析51-57
• 4.3.2.1 结晶相与微观结构特征51-54
• 4.3.2.2 介电频率和温度特性54-55
• 4.3.2.3 极化强度特性和储能密度55-57
• 4.4 本章小结57-58
• 第五章 TiO_2基多层陶瓷电容器的研制58-68
• 5.1 简介58-59
• 5.2 实验内容59-62
• 5.3 实验结果与分析62-66
• 5.4 本章小结66-68
• 第六章 结论68-70
• 致谢70-71
• 参考文献71-76
• 攻读硕士期间取得的研究成果76-77

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本文编号：703137