铁、铪掺杂CaCu 3 Ti 4 O 12 陶瓷材料的制备及性能研究
发布时间：2021-06-29 21:38
宽的频率和温度范围内,具有高介电常数和低介电损耗的材料能够应用于微型电子的集成化和小型化微电子器件,如电容器、谐振器和滤波器。巨介电陶瓷材料CaCu3Ti4O12（CCTO）作为一种常见的高介电常数材料,其在100600 K的温度范围内,介电常数可达105。在过去的几十年里,CCTO陶瓷的研究主要集中在介电性能上,获取好的介电性能使用最广泛的方法是元素掺杂。CaCu3Ti4-x Fex O12（0≤x≤0.5）,CaCu3Ti4-x Hfx O12（0≤x≤0.25）,CaCu3Ti4-x-y-y Fex Hfy O12（x=y,0≤x+y≤0.2）陶瓷...
【文章来源】：深圳大学广东省
【文章页数】：84 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
CCTO空间结构示意图
铁、铪掺杂CaCu3Ti4O12陶瓷材料的制备及性能研究电性能的机制是晶粒的半导体性和晶体边缘的绝缘性。晶粒的半导体性和晶体边缘的绝缘性电极之间的非欧姆接触得出了晶界内部障碍层效应。在“IBLC”模型中，CCTO陶瓷的介电特性可以用一个由两个并联的RC单元串联等效电路(图2)来代表。两个平行的RC单位分别代表半导体晶粒（Rg，Cg）和绝缘晶界（Rgb，Cgb）。在这个模型中，Rg，Rgb，Cg和Cgb是频率无关的模型参数，其中Cg和Cgb分别代表晶粒和晶界的电容，Rg和Rgb分别表示晶粒和晶界的电阻，这个内部电容障碍层的模型可以通过Maxwell-Wagner公式运算得出有效介电常数。当Rgb<<Rg，Cg<<Cgb时，有效介电常数ε′=εgb(tgb+tg)/tgb。当tgb<<tg时，ε′=εgb(tg/tgb)。图2由半导体晶粒（Rg，Cg）和绝缘晶界（Rgb，Cgb）组成的等效电路图Fig.2Theequivalentcircuitdiagramarecomposedofsemiconductorgrain(Rg,Cg)andinsulatinggrainboundary(Rgb,Cgb)CCTO介电效应的机制除了第一种介绍的内部阻挡层电容（IBLC）模型，还可以通过双阻挡层电容（DBLC）来解释[16]。双阻挡层电容（DBLC）模型可以用一个由三个并联的RC单元串联等效电路（图3）来代表。三个平行的RC单位分别代表半导体晶粒（Rg，Cg）和绝缘晶界（Rgb，Cgb）和表面层（Rs，Cs）。在这个模型中，Rg和Cg、Rgb和Cgb、Rs和Cs是频率无关的模型参数，其中Cg、Cgb、Cs分别代表晶粒、晶界和表面层的电容，Rg、Rgb、Rs分别表示晶粒、晶界和表面层的电阻。通过对CCTO复阻抗（Zˊ）图谱的分析可知：ˊ=1Rg1+Cg1+1Rs1+Cs1+1Rgb1+Cgb1再通过绘制复阻抗图谱，在Rg，Rs，Rgb不同设定关系下可以求出各电阻值。对电阻值的分析还可对CCTO不同温度下弛豫时间和弛豫行为进行研究。如在高频率下的弛豫时间ˊˊ=Rg(T)CbC
铁、铪掺杂CaCu3Ti4O12陶瓷材料的制备及性能研究图3由半导体晶粒（Rg，Cg）和绝缘晶界（Rgb，Cgb）、表面层（Rs，Cs）组成的等效电路图Fig.3Theequivalentcircuitdiagramarecomposedofsemiconductorgrain(Rg,Cg)andinsulatinggrainboundary(Rgb,Cgb)、surfacelayer(Rs,Cs)1.6介电陶瓷材料CaCu3Ti4O12的制备方法为了探究优化CCTO制备方法，学者们尝试了很多CCTO陶瓷的制备工艺。工艺的优化一般先要确保原料粉末的物理，化学性质比较稳定，然后提高生产效率和成品率，再次要省时、省力，省原材料，最后做到不破坏环境。当前对CCTO研究和制备，从文献阅读可了解到主要有以下几种制备方法：（1）溶胶-凝胶法制备CCTO陶瓷[17,20]：这种方法是利用有机溶剂在磁力搅拌机搅拌下先得到CCTO的前体，得到的前体在烘箱中烘干形成干凝胶，将干凝胶研磨后得到的粉末放到蒸发皿中烘干。烘干的粉末进行煅烧后，最后用粘合剂在一定的压力下成型得到成品。此方法最关键的步骤是凝胶干燥的过程，要尽量凝胶有好的致密度，才能做出性能优良的成品。溶胶-凝胶法制备CCTO优点：反应物混和物达到了分子水平，化学计量很精确，得到的粉体粒径分布较均匀，更加容易混合成型，烧结的温度低，合成一组陶瓷样品花费的时间更少。（2）机械合成法[24]：按照化学计量比称取一定量的CaCO3、CuO、TiO2，Ca(OH)2混合物在空气氛中用不同的方式进行在球磨机中进行研磨。研磨的时间要达到一定要求，即可制得一定量的CCTO粉末。该方法的缺点是研磨时间太长，相对其它方法来说效率低。优点是所用原料价格便宜，工艺要求简单，试验流程周期短，同时通过改变压力、反应物等条件，可以制备不同微观结构的CCTO样品。其反应方程式如下：Ca(OH)2+3CuO+4TiO2→CaCu3Ti4Ol2+H2OCaCO3+3CuO+
【参考文献】：
期刊论文
[1]Ti含量对CaCu3TixO12陶瓷介电性能的影响[J]. 熊利蓉,晁小练,井启红,杨祖培. 功能材料. 2010(05)
[2]高储能密度介电材料研的究进展[J]. 黄佳佳,张勇,陈继春. 材料导报. 2009(S1)
[3]纳米粒度仪在无机功能材料研究中的应用[J]. 何节玉,谢蓉,欧阳健明. 功能材料. 2008(12)
[4]电子陶瓷材料介电功能应用研究现状与前瞻[J]. 叶超群,徐政,严彪. 江苏陶瓷. 2004(02)
[5]Pb(Ni1/3Nb2/3)O3-PbTiO3系统准同型相界附近的介电、热释电和压电性能[J]. 李振荣,张良莹,姚熹. 硅酸盐学报. 2000(03)
本文编号：3257208
【文章来源】：深圳大学广东省
【文章页数】：84 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
CCTO空间结构示意图
铁、铪掺杂CaCu3Ti4O12陶瓷材料的制备及性能研究电性能的机制是晶粒的半导体性和晶体边缘的绝缘性。晶粒的半导体性和晶体边缘的绝缘性电极之间的非欧姆接触得出了晶界内部障碍层效应。在“IBLC”模型中，CCTO陶瓷的介电特性可以用一个由两个并联的RC单元串联等效电路(图2)来代表。两个平行的RC单位分别代表半导体晶粒（Rg，Cg）和绝缘晶界（Rgb，Cgb）。在这个模型中，Rg，Rgb，Cg和Cgb是频率无关的模型参数，其中Cg和Cgb分别代表晶粒和晶界的电容，Rg和Rgb分别表示晶粒和晶界的电阻，这个内部电容障碍层的模型可以通过Maxwell-Wagner公式运算得出有效介电常数。当Rgb<<Rg，Cg<<Cgb时，有效介电常数ε′=εgb(tgb+tg)/tgb。当tgb<<tg时，ε′=εgb(tg/tgb)。图2由半导体晶粒（Rg，Cg）和绝缘晶界（Rgb，Cgb）组成的等效电路图Fig.2Theequivalentcircuitdiagramarecomposedofsemiconductorgrain(Rg,Cg)andinsulatinggrainboundary(Rgb,Cgb)CCTO介电效应的机制除了第一种介绍的内部阻挡层电容（IBLC）模型，还可以通过双阻挡层电容（DBLC）来解释[16]。双阻挡层电容（DBLC）模型可以用一个由三个并联的RC单元串联等效电路（图3）来代表。三个平行的RC单位分别代表半导体晶粒（Rg，Cg）和绝缘晶界（Rgb，Cgb）和表面层（Rs，Cs）。在这个模型中，Rg和Cg、Rgb和Cgb、Rs和Cs是频率无关的模型参数，其中Cg、Cgb、Cs分别代表晶粒、晶界和表面层的电容，Rg、Rgb、Rs分别表示晶粒、晶界和表面层的电阻。通过对CCTO复阻抗（Zˊ）图谱的分析可知：ˊ=1Rg1+Cg1+1Rs1+Cs1+1Rgb1+Cgb1再通过绘制复阻抗图谱，在Rg，Rs，Rgb不同设定关系下可以求出各电阻值。对电阻值的分析还可对CCTO不同温度下弛豫时间和弛豫行为进行研究。如在高频率下的弛豫时间ˊˊ=Rg(T)CbC
铁、铪掺杂CaCu3Ti4O12陶瓷材料的制备及性能研究图3由半导体晶粒（Rg，Cg）和绝缘晶界（Rgb，Cgb）、表面层（Rs，Cs）组成的等效电路图Fig.3Theequivalentcircuitdiagramarecomposedofsemiconductorgrain(Rg,Cg)andinsulatinggrainboundary(Rgb,Cgb)、surfacelayer(Rs,Cs)1.6介电陶瓷材料CaCu3Ti4O12的制备方法为了探究优化CCTO制备方法，学者们尝试了很多CCTO陶瓷的制备工艺。工艺的优化一般先要确保原料粉末的物理，化学性质比较稳定，然后提高生产效率和成品率，再次要省时、省力，省原材料，最后做到不破坏环境。当前对CCTO研究和制备，从文献阅读可了解到主要有以下几种制备方法：（1）溶胶-凝胶法制备CCTO陶瓷[17,20]：这种方法是利用有机溶剂在磁力搅拌机搅拌下先得到CCTO的前体，得到的前体在烘箱中烘干形成干凝胶，将干凝胶研磨后得到的粉末放到蒸发皿中烘干。烘干的粉末进行煅烧后，最后用粘合剂在一定的压力下成型得到成品。此方法最关键的步骤是凝胶干燥的过程，要尽量凝胶有好的致密度，才能做出性能优良的成品。溶胶-凝胶法制备CCTO优点：反应物混和物达到了分子水平，化学计量很精确，得到的粉体粒径分布较均匀，更加容易混合成型，烧结的温度低，合成一组陶瓷样品花费的时间更少。（2）机械合成法[24]：按照化学计量比称取一定量的CaCO3、CuO、TiO2，Ca(OH)2混合物在空气氛中用不同的方式进行在球磨机中进行研磨。研磨的时间要达到一定要求，即可制得一定量的CCTO粉末。该方法的缺点是研磨时间太长，相对其它方法来说效率低。优点是所用原料价格便宜，工艺要求简单，试验流程周期短，同时通过改变压力、反应物等条件，可以制备不同微观结构的CCTO样品。其反应方程式如下：Ca(OH)2+3CuO+4TiO2→CaCu3Ti4Ol2+H2OCaCO3+3CuO+
【参考文献】：
期刊论文
[1]Ti含量对CaCu3TixO12陶瓷介电性能的影响[J]. 熊利蓉,晁小练,井启红,杨祖培. 功能材料. 2010(05)
[2]高储能密度介电材料研的究进展[J]. 黄佳佳,张勇,陈继春. 材料导报. 2009(S1)
[3]纳米粒度仪在无机功能材料研究中的应用[J]. 何节玉,谢蓉,欧阳健明. 功能材料. 2008(12)
[4]电子陶瓷材料介电功能应用研究现状与前瞻[J]. 叶超群,徐政,严彪. 江苏陶瓷. 2004(02)
[5]Pb(Ni1/3Nb2/3)O3-PbTiO3系统准同型相界附近的介电、热释电和压电性能[J]. 李振荣,张良莹,姚熹. 硅酸盐学报. 2000(03)
本文编号：3257208
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