羅 旭，蒲永平，趙 新

(陜西科技大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院， 陜西 西安 710021)

0 引言

鐵電陶瓷又稱為 II 類低頻電容器陶瓷，這類電容器多用于濾波、旁路和耦合等電子電路中，一般要求有極大的電容量，因此要求用介電常數(shù)很高的瓷料來制備.以 BaTiO3(BT)陶瓷為代表的鐵電體具有較高的介電常數(shù)，是制造鐵電陶瓷電容器的基礎(chǔ)材料，也是目前國內(nèi)外應(yīng)用最廣泛的電子陶瓷材料之一[1].現(xiàn)今BaTiO3陶瓷的研究方向主要有提高介電常數(shù)和提高溫度穩(wěn)定性兩方面.研究通過對BaTiO3陶瓷摻雜改性達(dá)到美國電子工業(yè)協(xié)會(EIA)標(biāo)準(zhǔn)Z5E、Z7E等陶瓷電容器的要求[2,3].

BaTiO3陶瓷溫度穩(wěn)定性的提高采用Nb-Co共摻雜的方式.BaTiO3陶瓷Nb-Co共摻雜后會形成一種“殼-芯”結(jié)構(gòu)[4-8]，這種結(jié)構(gòu)晶粒中包括連續(xù)變化的雜質(zhì)梯度區(qū)，等價陽離子的BaTiO3順電殼及未反應(yīng)的BaTiO3鐵電芯，對改善容量溫度特性非常重要[9-12].

CCTO為巨介電常數(shù)材料，目前多數(shù)報道認(rèn)為CCTO陶瓷由相對絕緣和導(dǎo)體化的部分組成，從而容易形成內(nèi)部阻擋層電容器結(jié)構(gòu)，當(dāng)經(jīng)過一個特定溫度后產(chǎn)生結(jié)構(gòu)的畸變使立方晶格對稱性下降，使CCTO具有巨介電常數(shù)[13,14].為了提高BNTC陶瓷系統(tǒng)的室溫介電常數(shù)，本研究在BNTC系統(tǒng)中摻雜一定濃度的CCTO，研究CCTO 摻雜對該系統(tǒng)陶瓷介電性能的影響.

1 實驗

以BaTiO3、Nb2O5、Co3O4、CuO、CaCO3、TiO2粉體為原料，采用傳統(tǒng)氧化物混合工藝，首先在950 ℃下預(yù)燒12 h合成純相的CCTO粉體.向BTNC(Nb2O5、Co3O4摻雜總量為1.0at%， Nb/Co為3)系統(tǒng)中摻雜不同量(1.0、2.0、3.0、4.0、5.0at%)的 CCTO.用行星式球磨機(jī)球磨4 h，造粒，干壓成型，制成直徑為12.6 mm、厚度為1.5 mm的圓片型樣品.按照一定的升溫制度在1 130 ℃下保溫3 h燒結(jié).將樣品表面拋磨加工，被銀并在650 ℃下燒銀制成銀電極.

采用日本理學(xué)D/max2 2200PC自動X射線衍射儀(XRD)對晶體結(jié)構(gòu)及物相組成進(jìn)行分析；采用Agilent E4980A電容測量分選儀對樣品的介電性能進(jìn)行測試.測試電壓為1 V，頻率為1 kHz.

2 結(jié)果與討論

預(yù)合成CCTO粉體的XRD圖譜如圖1所示.從圖1中可以看出預(yù)合成的粉體各個特征峰與CCTO特征峰非常吻合，證明合成了純相的CCTO晶相.

2.1 CCTO摻雜對BT基陶瓷介溫特性的影響

圖2為不同量CCTO摻雜的BT基陶瓷在20～140 ℃范圍內(nèi)的介溫曲線.隨著CCTO摻雜量的增加，系統(tǒng)的介電常數(shù)呈下降趨勢.在120～130 ℃之間曲線出現(xiàn)峰值，即居里溫度Tc.隨著CCTO摻雜量的增多，Tc向高溫方向移動，并且出現(xiàn)壓峰效應(yīng).

圖1 預(yù)合成CCTO粉體的XRD圖譜

圖2 CCTO摻雜BT基陶瓷的介溫曲線及溫度-損耗曲線

在20～85 ℃溫度范圍內(nèi)，當(dāng)CCTO摻雜量為3.0%時，體系平均介電常數(shù)>2 600，溫度穩(wěn)定性△C/C≤4.7%，介電損耗tanδ≤0.024.

CCTO的加入提高了BT系統(tǒng)的介電常數(shù)，但隨著CCTO摻雜量的增大，系統(tǒng)的介電常數(shù)降低.這是因為CCTO在BT中并不是以其原有結(jié)構(gòu)存在，其中有一部分已經(jīng)分解為CaO、CuO和TiO2.圖2中所表現(xiàn)的壓峰和移峰的現(xiàn)象，即是由于體系中出現(xiàn)了CaO和CuO所導(dǎo)致的.

2.2 CCTO摻雜對BTNC基陶瓷介溫特性的影響

圖3為不同量CCTO摻雜的BTNC基陶瓷在20～140 ℃范圍內(nèi)的介溫曲線.隨著CCTO的摻雜量增多體系的介電常數(shù)先增后減，當(dāng)摻雜量為2.0%時達(dá)到最大(>2 800)；且隨著CCTO的摻雜量增加，體系的溫度穩(wěn)定性得到改善，當(dāng)CCTO摻雜量為4.0%時，在20～125 ℃范圍溫度穩(wěn)定性△C/C≤7.5%.

圖3 CCTO摻雜BTNC基陶瓷的介溫曲線及溫度-損耗曲線

筆者認(rèn)為在CCTO摻雜量小于2.0%時，CCTO以本身的結(jié)構(gòu)進(jìn)入到體系中，起到提高介電常數(shù)的作用.而當(dāng)CCTO摻雜量大于2.0%后，CCTO在陶瓷系統(tǒng)中分解為CaO、CuO和TiO2，而CaO、CuO的引入使BaTiO3基陶瓷系統(tǒng)的介電常數(shù)降低，并進(jìn)一步改善了溫度穩(wěn)定性.

3 結(jié)束語

(1)在20～85 ℃溫度范圍內(nèi)，BT系統(tǒng)中CCTO摻雜量為3.0%時，體系介電常數(shù)>2 600，溫度穩(wěn)定性△C/C≤4.7%，介電損耗tanδ≤0.024.

(2)在20～125 ℃溫度范圍內(nèi)， BTNC系統(tǒng)中CCTO摻雜量為2.0%時，體系的介電常數(shù)>2 700，溫度穩(wěn)定性△C/C≤10%，介電損耗tanδ≤0.038.

(3)在20～125 ℃溫度范圍內(nèi)， BTNC系統(tǒng)中CCTO摻雜量為4.0%時，體系的介電常數(shù)>2 200，溫度穩(wěn)定性△C/C≤4.7%，介電損耗tanδ≤0.026.

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