新型多层片式压敏—电容双功能电子陶瓷元件的制备与性能研究

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本实验以ZnO基压敏陶瓷和Pb(Mg1/3Nb2/3)O3(PMN)基介电陶瓷为基元材料,采用多层片式陶瓷电容器(MLC)的制备方法制备了多层片式压敏-电容双功能陶瓷元件(MLVC),并研究了其电性能特点和微观结构。首先分别选出ZnO-Bi2O3基压敏陶瓷和PMN基介电陶瓷作为双功能元件中起压敏效应和电容效应的基元材料。以传统陶瓷制备工艺,通过调整配方和改善烧结条件,研究了这两种电子陶瓷的电性能特点。实验表明:掺入适量玻璃料的ZnO-Bi2O3压敏陶瓷,可在较低的烧结温度(960℃,1.5h)下具有良好的压敏性能(压敏电压V1mA为701.4V/mm,非线性系数α为32.0);PMN基介电陶瓷也可在相同的条件下烧结,在室温1KHz下测得其相对介电常数ε/εo为9000,损耗tanδ<5.0×10-2,绝缘电阻率达到1013Ω·cm。从烧结膨胀收缩变化、界面反应程度这两个角度重点分析了这两种陶瓷共烧的相容性。分析说明:ZnO2#压敏陶瓷和PMN6#介电陶瓷烧结收缩行为相似且共烧时没有发现两者存在界面反应,充分肯定了两者共烧的可行性。因此,采用轧膜工艺制备了ZnO2#压敏陶瓷和PMN6#介电陶瓷的坯片,利用MLC制备方法中的内电极印刷、叠层技术,一次性烧结制备了多个以Ag/Pd或Pt为内电极的MLVC。实验表明,以Ag/Pd为内电极的MLVC随着叠片层数的增加,MLVC的压敏电压有所下降,V1mA在200~250V之间,非线性系数基本不变,α值约为20。在叠片层数、方式相同的情况下,以Pt为内电极MLVC的压敏电压比以Ag/Pd为内电极MLVC的稍高,α值也为20左右,这主要是由两种内电极与ZnO2#陶瓷的微观接触界面反应不同造成的。叠片方式对MLVC压敏性能的影响不大,但对MLVC电容性能却有很大影响。非交错叠片型MLVC比交错叠片型MLVC的电容量大,可达几十纳法,而交错叠片型MLVC的电容量一般只有几纳法。观察MLVC中陶瓷与陶瓷、内电极与陶瓷之间的相界,发现它们之间几乎没有界面反应,界面呈现的微观结构特点与MLVC的电性能变化一致。根据PMN1#介质瓷的烧结收缩特点,制备了以PMN1#介质瓷为原料的MLC,它与以ZnO2#压敏陶瓷为原料制备的MLV相结合,成功制备出同样具有压敏-电容双功能的MLVC。它与一次性烧结制备的MLVC相比,压敏电压V1mA偏高(250~370V),α值约为20,电容量很大,达数十纳法。本实验成功制备了具有双功能的MLVC,为开发低压压敏、高电容量双功能陶瓷材料或元件提供了有益的参考,这种保护性电子元件在现代电子设备中具有广泛的应用前景。
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