無鉛鈣鈦礦結(jié)構(gòu)BZT基陶瓷材料的制備與介電性能的研究.pdf

1、隨著電子設(shè)備小型化及環(huán)保需求的不斷推進(jìn)，性能優(yōu)越且環(huán)境友好的高壓電容器元件的研制與應(yīng)用勢在必行。本文旨在于鋯鈦酸鋇(BZT)基陶瓷體系中獲得具有高介電常數(shù)、低介電損耗、高耐壓強(qiáng)度、低容溫變化率的電容器介質(zhì)材料。
　　 本實(shí)驗(yàn)在傳統(tǒng)固相法基礎(chǔ)上，創(chuàng)新性的引入二次配料工藝，首次成功制備了低價(jià)稀土元素氧化物M2O3(M=La、Sm)、高價(jià)稀土元素氧化物M2O5(M=V、Ta)摻雜以及高低價(jià)共摻雜的鋯鈦酸鋇(BZT)基介電陶瓷，分別系統(tǒng)

2、研究了不同摻雜組成和不同燒結(jié)溫度對(duì)該體系介電陶瓷性能的影響，獲得溫度穩(wěn)定性高的高壓電容器陶瓷材料。
　　 借助X射線衍射(XRD)以及環(huán)境掃描電子顯微鏡(ESEM)分析了該體系的物相結(jié)構(gòu)和微觀形貌，結(jié)果表明在一定范圍內(nèi)，低價(jià)稀土元素氧化物M2O3(M=La、Sm)、高價(jià)稀土元素氧化物M2O5(M=V、Ta)摻雜以及高低價(jià)共摻雜的鋯鈦酸鋇(BZT)基介電陶瓷對(duì)其結(jié)構(gòu)無顯著影響，仍保持鈣鈦礦結(jié)構(gòu)。
　　 根據(jù)平均晶胞常數(shù)的變

3、化，本文揭示了M2O3在BZT鈣鈦礦結(jié)構(gòu)中的取代特性，認(rèn)為稀土元素離子M3+應(yīng)占據(jù)晶格A位，而M3+隨摻雜量的增大由A位施主添加劑變?yōu)锽位受主添加劑。依據(jù)取代特性建立了低價(jià)稀土元素氧化物摻雜該陶瓷體系的缺陷模型；認(rèn)為稀土元素離子M5+應(yīng)占據(jù)晶格B位，而M5+為B位受主添加劑。依據(jù)取代特性建立了高價(jià)稀土元素氧化物摻雜該陶瓷體系的缺陷模型。
　　 研究了BaZr0.25Ti0.75O3介電陶瓷在不同燒結(jié)溫度下的介電性能，分析了最佳燒

4、結(jié)條件，優(yōu)化了BaZr0.25Ti0.75O3介電陶瓷性能。La2O3以及Sm2O3添加量以及燒結(jié)溫度對(duì)BaZr0.25Ti0.75O3介電陶瓷微觀結(jié)構(gòu)和宏觀性能的影響。在0.5wt％La2O3摻雜BaZr0.25Ti0.75O3體系中獲得了室溫介電常數(shù)εr≈9300，室溫介電損耗tanδ<0.014的陶瓷電容器介質(zhì)材料。各BaZr0.25Ti0.75O3基陶瓷試樣均為單相化合物，且無第二相產(chǎn)生。各試樣組分仍位于準(zhǔn)同相界區(qū)間，即立方順電

5、相與四方鐵電相共存于各試樣中，這就是0.5wt％La2O3摻雜BaZr0.25Ti0.75O3體系獲得最佳介電性能的原因。La3+進(jìn)入品格A位，發(fā)生缺陷反應(yīng)：La2O3→2LaA·+VA''+3OO。隨著La2O3加入量的增大，在1 kHz下各試樣介電損耗隨測試溫度升高均先增大后顯著減小繼而再緩慢增大。隨Sm2O3加入量增大，BaZr0.25Ti0.75O3基陶瓷試樣為單相化合物。Sm3+先進(jìn)入晶格A位，發(fā)生缺陷反應(yīng)：Sm2O3→2Sm

6、A·+VA''+3OO；隨著摻雜量增大，Sm3+進(jìn)入品格B位，發(fā)生缺陷反應(yīng)：Sm2O3→2SmTi'+VO··+3OO。隨著Sm2O3加入量增大，Sm2O3摻雜BaZr0.25Ti0.75O3基陶瓷試樣晶粒尺寸減小，氣孔率降低；各燒結(jié)溫度試樣的室溫介電常數(shù)εr先增大后減小。研究了V2O5以及Ta2O5添加量對(duì)BaZr0.25Ti0.75O3介電陶瓷微觀結(jié)構(gòu)和宏觀性能的影響。在1wt％V2O5摻雜BaZr0.25Ti0.75O3體系中獲得

7、了室溫介電常數(shù)εr≈7300，室溫介電損耗tanδ<0.014的陶瓷電容器介質(zhì)材料。各BaZr0.25Ti0.75O3基陶瓷試樣均為單相化合物，且無第二相產(chǎn)生。V2O5進(jìn)入品格B位，發(fā)生缺陷反應(yīng)：V2O5→2VTi'+VO··。+3OO。隨著V205加入量的增大，在1 kHz下各試樣介電損耗隨測試溫度升高均先增大后顯著減小繼而再緩慢增大。隨Ta2O5加入量增大，BaZr0.25Ti0.75O3基陶瓷試樣為單相化合物。在1wt％V2O5摻

8、雜BaZr0.25Ti0.75O3體系中獲得了室溫介電常數(shù)占εr≈27000。Ta5+先進(jìn)入晶格B位，發(fā)生缺陷反應(yīng)：Ta2O5→2TaTi'+VO··+3OO。隨著Ta2O5加入量增大，Ta2O5摻雜BaZr0.25Ti0.75O3基陶瓷試樣晶粒尺寸減小，氣孔率降低；各燒結(jié)溫度試樣的室溫介電常數(shù)εr先增大后減?。皇覝亟殡姄p耗tanδ先增大后顯著減小繼而緩慢回升。此組分獲得最佳性能的原因可能因各試樣組分仍位于準(zhǔn)同相界區(qū)間，即立方順電相與四

9、方鐵電相共存于各試樣中。此外，研究了La2O3以及V2O5添加量對(duì)BaZr0.25Ti0.75O3介電陶瓷微觀結(jié)構(gòu)和宏觀性能的影響。在La2O3和V2O5摻雜BaZr0.25Ti0.75O3體系中獲得了新的介電陶瓷體系。各BaZr0.25Ti0.75O3基陶瓷試樣均為為單相化合物，且無第二相產(chǎn)生。La3+進(jìn)入晶格A位，發(fā)生缺陷反應(yīng)：LaO3→2LaA·+VA''+3OO。V2O5進(jìn)入晶格B位，發(fā)生缺陷反應(yīng)：V2O5→2VTi'+VO··

10、+3OO。隨著La2O3和V2O5加入量的增大，在1 kHz下各試樣介電損耗隨測試溫度升高均有所減小。研究了La2O3以及Sm2O3添加量對(duì)BaZr0.25Ti0，75O3介電陶瓷微觀結(jié)構(gòu)和宏觀性能的影響。在La2O3和Sm2O3摻雜BaZr0.25Ti0.75O3體系中獲得了新的介電陶瓷體系。各BaZr0.25Ti0.75O3基陶瓷試樣均為鈣鈦礦結(jié)構(gòu)，且無第二相產(chǎn)生。La3+和Sm3+進(jìn)入晶格 A位，發(fā)生缺陷反應(yīng)：La2O3→2LaA

11、·+VA''+3OO；Sm2O3→2SmTi'+VO··+3OO。隨著La2O3和Sm2O3加入量的增大，在1 kHz下各試樣介電損耗隨測試溫度升高均有所減小。研究了V2O5以及Ta2O5添加量對(duì)BaZr0.25Ti0.75O3介電陶瓷微觀結(jié)構(gòu)和宏觀性能的影響。在V2O5和Ta2O5摻雜BaZr0.25Ti0.75O3體系中獲得了新的介電陶瓷體系。各BaZr0.25Ti0.75O3基陶瓷試樣均為單相化合物，且無第二相產(chǎn)生。V5+和Ta5