钛酸铋钠基高温陶瓷电容器材料的制备与性能研究

发布时间：2020-11-15 01:20

　　 电容器能够有效地实现旁路、滤波、耦合、去耦、脉冲放电、直流阻断等多种功能,因而被广泛地应用于各类电子设备中。相较于其它类型电容器,陶瓷电容器有着卓越的电容温度特性、阻抗频率特性以及相对低廉的成本,是目前生产和需求量最大的一类电容器。随着先进电子技术在过去几年间的蓬勃发展,人们对高性能电容器的需求也在不断增加。现如今,在航空航天、石油勘探、汽车电子、国防军工等许多重要领域中,一些电子设备的工作温度已经超过了200℃甚至达到300℃,这对陶瓷电容器的温度稳定性提出了更高的要求。因此,耐高温陶瓷电容器介质材料的研究就变得尤为重要。本研究中,通过对钛酸铋钠(Bi_(0.5)Na_(0.5)TiO_3,BNT)弛豫铁电材料进行改性,在解析体系内部弛豫行为演变的同时,逐步优化材料在高温段(≥200℃)以及低温段(25℃)的介电温度稳定性,并成功构建出在-55—400℃这一超宽温度范围内具有优异电容稳定性以及较低介质损耗的电容器陶瓷材料。此外,研究还顺利完成了多层陶瓷电容器(MLCC)模拟样件的试制。该工作不仅对耐高温瓷料的研发具有借鉴意义,更有望推进BNT基材料在高温电容器领域的应用。首先,设计(1-x)(0.94BNT-0.06BaTiO_3)-xNaNbO_3(BNT-BT-xNN)组成体系,深入研究了反铁电体NN含量对BNT-BT固溶体的结构与电学性能影响。研究发现,NN的引入引起BNT-BT材料极性三方相含量下降,宏观极化能力降低,极性纳米微区耦合作用弱化。这些有助于材料介温曲线的平坦化,并最终获得相对高介且高温段温度稳定性良好的电介质材料。其次,在以上工作的基础上,针对BNT-BT-NN体系存在的低温温度稳定性与频率稳定性较差以及高温段介质损耗较大等问题,采用在基体内引入弱极性顺电体CaZrO_3的方法,设计了(1-x)[0.94(0.75BNT-0.25NN)-0.06BT]-xCaZrO_3(CZ100x)新体系,并通过传统固相法进行了陶瓷制备。研究主要探讨了CaZrO_3含量对材料介电温度稳定性,高温下介质损耗以及绝缘特性的影响。结果表明,随着CaZrO_3的添加,增强的随机场和局部应变效应削弱了样品中PNRs的极化能力,从而实现材料介电温度特性与频率特性的优化。此外,材料的电导激活能E_a与电阻率也因为CaZrO_3的引入而显著增加。其中,CZ10样品在-55—400℃温度范围内,容温变化率低于±15%,介质损耗tanδ在60—300℃小于0.02,且300℃高温下直流电阻率仍高达10~7Ω·m,综合电学性能最为优异。最后,基于CZ10组分陶瓷样品的优异电学性能,为了更好地促进BNT基高温介质材料于实际中的应用,采用工业产线技术试制同组分的MLCC模拟样件。观察分析了MLCC的微观结构,并且深入探讨了MLCC样件与同组分块体陶瓷样品介电性能、温度稳定性以及储能特性等的差异。研究发现,MLCC样件的介电常数、介质损耗和容温变化率随温度变化曲线的形状与块体陶瓷基本相似,说明设计配方具有优异的移植性。最为重要的是,MLCC样件能够在-60—385℃的温度范围内,实现ΔC/C_(25℃)≤±15%的优异特性,并且在-55—340℃温度区间内,仍保持较低的介质损耗(tanδ≤0.02)。此外,MLCC样件的储能密度还具有优良的温度稳定性。综上所述,CZ10组分有望用于商业高温MLCC的生产制造。
【学位单位】：北京工业大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TQ174.7;TM53
【文章目录】：
摘要
Abstract
第1章 绪论
    1.1 引言
    1.2 陶瓷电容器的分类
    1.3 高温陶瓷电容器的应用领域及性能要求
    1.4 BNT基陶瓷电介质及其改性
        1.4.1 BNT的晶体结构
        1.4.2 BNT及其常见固溶体的介电性能
    1.5 BNT基高温电容器材料的研究现状与挑战
    1.6 本文的主要研究内容
第2章 样品的制备与表征
    2.1 实验药品
    2.2 样品制备工艺
        2.2.1 块体陶瓷制备工艺
        2.2.2 MLCC芯片制备工艺
    2.3 样品的测试表征方法
        2.3.1 样品的微观结构及形貌表征
        2.3.2 陶瓷的电学性能测试
    2.4 本章小结
3改性BNT基高介高温电容器材料性能研究'>第3章 NaNbO₃改性BNT基高介高温电容器材料性能研究
    3.1 引言
    3.2 样品的制备工艺
    3.3 结果与讨论
        3.3.1 NN含量对BNT-BT陶瓷微观结构的影响
        3.3.2 NN含量对BNT-BT陶瓷铁电行为及储能特性的影响
        3.3.3 NN含量对BNT-BT陶瓷介电温度特性的影响
    3.4 本章小结
3改性BNT基超宽温稳定电容器材料研究'>第4章 CaZrO₃改性BNT基超宽温稳定电容器材料研究
    4.1 引言
    4.2 样品的制备工艺
    4.3 结果与讨论
        4.3.1 CZ含量对BNT基陶瓷微观结构的影响
        4.3.2 CZ含量对BNT基陶瓷介电温度特性的影响
        4.3.3 CZ含量对BNT基陶瓷其他电学性能的影响
    4.4 本章小结
第5章 BNT基高温稳定MLCC芯片的制作及其性能研究
    5.1 引言
    5.2 样品的制备
        5.2.1 块体样品的制备
        5.2.2 MLCC样品的制备
    5.3 结果与讨论
        5.3.1 CZ10样品致密化烧结工艺的探索
        5.3.2 CZ10MLCC模拟件的制作及微观结构表征
        5.3.3 CZ10MLCC模拟件的电学性能研究
    5.4 本章小结
总结与展望
    总结
    展望
参考文献
攻读硕士学位期间发表的学术论文
致谢

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本文编号：2884171