低温烧结BST基介电陶瓷的性能研究

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钛酸锶钡(BaxSr1-xTiO3俗称BST)是具有典型钙钛矿结构的铁电材料,由于它具有较高的介电常数,较低的介电损耗,良好的容温特性、居里温度能够在很宽的温度区间内移动等优点,被广泛应用在多层陶瓷电容器以及微波可调器件上。本文旨在通过掺杂低熔点的玻璃、化合物以及减小原料的晶粒尺寸等方法来降低BST的烧结温度,使其能够满足低温共烧陶瓷(LTCC)技术。以Ba0.65Sr0.35TiO3为基体,采用传统电子陶瓷制备工艺,借助X射线衍射仪(XRD)、扫描电镜(SEM)等检测方法分别研究了低熔点的ZnO-B2O3-SiO2玻璃、Li2CO3与不同化合物(Bi2O3、 BaF2)、超细BST粉体为原料三种途径对BST基介电陶瓷介电性能以及烧结温度的影响。  论文主要的研究工作和得到的结论如下:  (1)在Ba0.65Sr0.35TiO3中加入10wt%ZnO-B2O3-SiO2和分别加入少量的Nd2O3、Y2O3、 CeO2,这些BST陶瓷可以在950℃左右烧结成瓷,XRD测试表明样品中无杂相生成,仍为纯的钙钛矿结构。对于掺杂Nd2O3的样品,当Nd2O3的添加量为1.5wt%时,得到的BST陶瓷样品介电性能较好,此时介电常数εr=667、介电损耗tanδ=0.01,在-30~85℃温度范围内容温变化率为14.8%~-35.2%。对于掺杂Y2O3的样品,当Y2O3的添加量为0.8wt%时,BST陶瓷的介电性能较好,此时介电常数εr=764、介电损耗tanδ=0.0053,在-30~85℃温度范围内容温变化率为9.04%~-40.2%。对于掺杂CeO2的样品,当CeO2的添加量为0.3wt%时,得到的BST陶瓷介电性能较好,此时介电常数εr=730、介电损耗tanδ=0.018。Y2O3和10wt%ZnO-B2O3-SiO2玻璃共掺的BST陶瓷样品的绝缘电阻率均达到1011Ω·cm以上。当氧化钇的添加量为0.8wt%时样品的耐压强度Eb=3.38kV/mm。  (2)在Ba0.65Sr0.35TiO3中加入2wt%Li2CO3和少量的Bi2O3,BST陶瓷可以在1000℃下烧结成瓷,且无明显的杂相生成。当Bi2O3添加量为1wt%时,得到的BST陶瓷样品介电性能较好,此时介电常数εr=3038、介电损耗tanδ=0.0029,在-30~85℃温度范围内容温变化率为45%~-57.2%。添加了氧化铋的陶瓷样品的绝缘电阻率均达到1011Ω·cm以上。当氧化铋的添加量为1wt%时样品的耐压强度最高为3.82kV/mm。  (3)在Ba0.65Sr0.35TiO3中通过掺杂Li2CO3和BaF2,BST陶瓷可以在925℃或950℃下烧结成瓷,烧结后的陶瓷样品中有些样品除了BST相外还有Ba2TiO4相。1wt%BaF2与2wt%Li2CO3共同掺杂时样品具有较好的介电性能,此时的陶瓷样品烧结温度为925℃,该陶瓷在室温下的介电常数为2821.48、介电损耗为0.0029,在-30~+85℃温度范围内容温变化率为46%~-47.5%,绝缘电阻率为5.87×1011Ω·cm、耐压强度为0.65kV/mm。0.5wt% Li2CO3与不同质量分数的BaF2共同掺杂的陶瓷样品在950℃下能够成功烧结,当BaF2的添加量为3wt%时,样品表现出较好的介电性能,此时的陶瓷样品的室温介电常数为1694.5、介电损耗为0.0018,在-30~+85℃温度范围内容温变化率为46.3%~-75.2%,绝缘电阻率为1.19×1011Ω·cm、耐压强度为1.96kV/mm。  (4)用溶胶凝胶法制备超细Ba0.65Sr0.35TiO3粉体,以此粉体为原料,加入2wt%Li2CO3和1wt%Bi2O3可以在1000℃下将BST陶瓷烧结成瓷,且XRD分析表明样品中无杂相生成,为单一的钙钛矿结构。当烧结温度为1000℃时,样品的体积密度较大为5.42g/cm3,室温介电常数取得最大值为2348,此时的介电损耗为0.0086,绝缘电阻率为3.47×1011Ω·cm以上,耐压强度达到2.81kV/mm,在-30~85℃温度范围内,陶瓷样品的容温变化率为41%~-55.7%。
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