共掺杂钛酸钡交流陶瓷电容器材料制备、结构与性能研究

发布时间：2018-03-04 20:17

  本文选题：MLCCs　切入点：钛酸钡　出处：《浙江大学》2015年博士论文　论文类型：学位论文

【摘要】：多层片式陶瓷电容器(MLCCs)是电子信息领域中核心的元器件之一,被大量地使用在储能、耦合、滤波、调谐、控制、振荡等电路中。其中,钛酸钡(BaTiO3)已被广泛应用于制备Ⅱ类温度特性系列MLCCs,但其在交变电场中的稳定使用还存在局限。反复的电致伸缩和内电场应力容易造成电介质材料的击穿。因此,交流用MLCCs介质材料应具有合适的介电常数、稳定的电容-温度系数、低介电损耗以及高耐交流击穿特性。本课题采用稀土和金属氧化物共掺杂BaTiO3,改善其介电性能和耐击穿交流特性,并通过添加LiF降低其烧结温度,制备出稳定性好、性能优良、并且在1100℃下烧结的MLCCs陶瓷瓷粉。现取得的成果如下：(一)通过固相法合成Y-Zn-Ga-Si共同掺杂的钛酸钡陶瓷,研究单掺和共掺杂对介电性能、微观结构和耐交流击穿特性的影响。其中,组分为BaTiO3-0.025Y2O3-0.025ZnO-0.01Ga2O3-0.01SiO2的陶瓷样品在1340℃下烧结3h能够获得优良的性能：εr=2690, tanδ=1.0%(at 1 KHz), ΔC/C2515%(-55℃-125℃),交流耐击穿场强E3.73kV/mm。从XRD中20衍射角在31°-32°之间的晶面峰位移动情况可推断,Y3+、Zn2+和Ga3+都能够掺入到晶格中,Y3+能够进入Ba位和Ti位,而Zn2+和Ga3+进入Ti位。Y3+单独掺杂,能使物相发生从四方相向正交相的转变,但在Zn2+和Ga3+的共同作用下,最终成为赝立方相。Zn和Ga元素单掺的钛酸钡为四方相结构,但是Zn2+的受主掺杂能够引入过量氧空位,造成晶界偏析,从而有效地抑制晶粒生长,促使晶粒排布趋于规整,并降低介电损耗。Ga3+的单独掺杂对陶瓷的介电性能改善效果不明显,但和Y及Zn元素共同作用下,能够避免第二相Y2Ti207的产生,降低致密化烧结温度,改善介电性能。Y-Zn-Ga-Si共掺杂体系能够形成核壳结构,其中,Y3+、Zn2+和Ga3+能在晶格中扩散进入一定深度,形成赝立方相的壳结构,Y3+能够进入更深的部位,形成正交相的核结构。(二)通过固相法合成Y-Al-Ga-Si共同掺杂的钛酸钡陶瓷,分析其物相组成、微观结构、介电性能及耐交流击穿特性。其中,组分为BaTiO3-0.06Y2O3-0.01 Al2O3-0.02Ga2O3-0.01SiO2的陶瓷在1380℃下烧结3h能够获得优良的性能：εr=2223, tanδ=1.1%(at 1 KHz), ΔC/C2515.26%(-55℃-150℃),交流耐击穿场强E4.49kV/mm。从SEM照片及XRD物相分析可知,一定量的Y3+掺杂能够限制晶粒生长,促进四方相向赝立方的转变,降低介电损耗,以及平滑TCC曲线。但是过量的Y3+会和Ba2+反应生成杂相BaY2O4。适量Ga3+的掺入能够促进烧结,促使形貌更加规整有序,降低介电损耗和最大容温系数(Max|ΔC/C25|)。但是过量Ga元素容易和Ba2+及Al3+反应生成杂相Ba3Ga2O6和BaAlGaO4。 Al元素对介电性能的提升并不显著,主要起到辅助作用,而且容易产生杂相BaAlGaO4及YAlO3,但由于A13+的半径小,在晶格中的渗透能力强,对离子迁移率的影响较大,因此能够较好地提升交流耐击穿特性。(三)通过固相法合成Y-Mg-Ga-Si共掺杂的钛酸钡陶瓷,分析其物相组成、微观结构、介电性能及耐交流击穿特性。其中,组分为BaTiO3-0.02Y2O3-0.03MgO-0.01Ga2O3-0.005SiO2的样品在1380℃下烧结3h后表现出最佳的综合性能：εr=2487,tanδ=0.7%(at 1 KHz), AC/C256.56%(-55℃-125℃),交流耐击穿场强E4.02kV/mm。根据XRD分析可知,陶瓷为赝立方相BaTiO3,而从20衍射角在31°-32°之间的晶面峰位移动可知,Y3+和Mg2+能够掺入到晶格中,Y3+能取代Ba位和Ti位,促进四方相向赝立方相的转变和TCC曲线的平滑。Mg2+能够取代Ti位,形成MgTi" -Vo"复合偶极子和因为氧空位产生的弹性偶极子的“复合缺陷”,钉扎在畴界处,造成晶界偏析,从而限制晶粒生长,减小介电损耗。适量Ga3+的掺入能够提高介电常数,保持晶格的长程有序性,促使形貌更加规整均一。然而过多的Ga元素掺入会和Y元素反应生成第二相Y3Ga5O12。 Y元素和Ga元素主要分布在晶界处,促进核-壳结构中壳层结构的形成。(四)采用LiF降低Y-Mg-Ga-Si共掺BaTiO3陶瓷的烧结温度,揭示其降温机制。添加2wt%的LiF进入2mol%Y2O3-3mol%MgO-1mol%Ga2O3-0.5mol%SiO2-BaTiO3能够有效地降低烧结温度,从1380℃降到1100℃,并且保持优良的性能：εr=1956, tanδ=0.8%(at 1 KHz), AC/C2510.44%(-55℃-125℃),交流耐击穿场强E4.50kV/mm。根据XRD中20衍射角在31°-320之间的晶面峰位移动情况,Li+和F-能进入到晶格中。其中,Li+能够进入Ti位,产生大量的氧空位,从而进一步阻碍晶粒生长。F-能够取代O2-,弱化O-O键的强度,同时,LiF本身具有较低的熔点,在烧结过程中形成液相,两者共同作用使陶瓷的烧结温度降低。LiF的添加能够大幅提升交流耐击穿特性,归因于氧空位等有利缺陷偏聚在晶界处所形成的晶界效应,从而有效地阻碍了带电离子的自由移动。
[Abstract]:......
【学位授予单位】：浙江大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TQ174.1

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本文编号：1567140