高介电常数低变化率(BaxSr1-x)TiO3系电容器陶瓷的研究

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本文对近年来钛酸锶钡制备技术进行了全面综述。研究了稀土氧化物(Dy2O3、CeO2、La2O3、Y2O3和Vb2O3等)以及MgO、Bi4Ti3O12和Bi2Sn2O7等组分对钛酸锶钡电容器陶瓷介电性能和结构的影响,得到了致密度高、气孔率小,晶粒细小均匀且耐压强度较高符合X7R特性的电容器陶瓷。并且研究了制备工艺参数的影响,利用扫描电镜(SEM),X射线衍射分析(XRD)等检测方法对材料的物相组成、显微结构等进行了研究。以此为依据探讨了掺杂物改性的作用机理。本研究主要结果如下:在钛酸锶钡基陶瓷中微量掺杂稀土氧化物Dy2O3和Y2O3可以抑制晶粒生长,产生细晶效应,使得居里峰在整个工作温区内弥散展宽,获得较高的介电常数和良好的容量温度特性,并可以大幅度提高钛酸钡基陶瓷的耐压强度。1250℃烧结含0.6wt%Y2O3的钛酸锶钡陶瓷,其ε≥4000,在-25~80℃范围内,ΔC/C≤20%,击穿场强E≥6kV/mm。CeO2和La2O3掺杂的结果表明这两种稀土元素对钛酸锶钡陶瓷的晶粒生长有一定的抑制作用。CeO2的掺杂量在0.9%,La2O3的掺杂量在0.45%(质量分数)左右对钛酸锶钡陶瓷陶瓷的介电性能有很好的改善作用。但是镧离子和铈离子在陶瓷中的离子取代情况有所不同。因而,改善性能的作用不同。CeO2掺杂的陶瓷性能优于La2O3掺杂的陶瓷。1250℃烧结含0.9wt%CeO2的钛酸锶钡陶瓷,其ε≤3000,在-25~80℃范围内,ΔC/C≤35%,击穿场强E≥4kV/mm。Yb2O3的加入没有改变BST陶瓷的晶体结构。随着保温时间的增加,陶瓷的介电常数增大。1250℃烧结含1.2wt%Yb2O3的钛酸锶钡陶瓷,其ε≥10000,击穿场强E≥7kV/mm。MgO掺杂后的样品的介电峰被压抑和展宽,表现出扩散相变。从XRD谱图可知,MgO样品仍为单一的钙钛矿结构。1250℃烧结含0.2wt%MgO的钛酸锶钡陶瓷,其ε≥4500,在-25~80℃范围内,ΔC/C≤25%,击穿场强E≥6.5kV/mm。研究表明,Bi4Ti3O12、Bi2Sn2O7两种掺杂物包裹晶粒和填充晶粒间,构成瓷体的复杂非均匀结构。这两种异相对(Ba,Sr)TiO3铁电相有制约作用,使B位阳离子所处的势阱深度变浅,在宽广的温度范围内极化易被电场所定向,表现为ε-T特性曲线较平坦。1150℃烧结含30wt%Bi2Sn2O7的钛酸锶钡陶瓷,其ε≥1500,在-55~125℃范围内,ΔC/C≤15%。研究了Ba/Sr比对BST陶瓷性能的影响。研究表明:钡锶比对陶瓷的介电性能的改善是至关重要的。通过研究配方和工艺,得到了高介电常数、低容温变化率的高压电容器瓷料。其主要性能指标为:烧结温度为1250℃,ε≥3500,tgδ≤0.01,在-25~80℃范围内,ΔC/C≤15%,试样击穿强度E≥5.5kV/mm。
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