(Na0.5Bi0.5)TiO3改性BaTiO3基陶瓷的制备、结构与介电性能研究

摘要

多层陶瓷电容器(MLCC)是电子信息技术的重要器件，其内部介电材料是该类器件的关键。作为介电陶瓷，钛酸钡(BT)基无铅体系陶瓷材料因具有优异的介电铁电性能及环境友好性，成为MLCC陶瓷国内外研究的焦点。目前广泛使用的X7R介质陶瓷只能在125℃以下使用，无法满足更高温度介电性能稳定性的要求，并且MLCC用陶瓷材料通常具有复杂的物相组成与结构，因此很难解释表观的介电性能。本论文针对上述的问题，一方面以较简单的Ba(Ti0.8Sn0.2)O3[BTSn]基弛豫陶瓷为研究对象，通过(Na0.5Bi0.5)TiO3[NBT]改性，研究(1-x)BTSn-xNBT的物相组成、介电弛豫、微观结构、阻抗响应等信息，探讨其铁电弛豫(介温峰初步展宽)的主导因素；另一方面，以NBT改性BT基弛豫陶瓷材料为研究对象，扩展了温度稳定型陶瓷电容器的工作温区，并详细探讨了物相组成、居里温度、介电性能及显微结构之间的关系。以下是本文的主要研究结果：
　　 1.以BTSn弛豫陶瓷体系为研究对象，综合研究了(1-x)BTSn-xNBT(0≤x≤0.3)陶瓷体系的物相组成、介电弛豫、微观结构、阻抗响应等信息。
　　 BTSn中存在着局域偏离立方相的结构畸变，当引入NBT时，其微结构发生了明显的变化，体系的晶粒尺寸减小，且具有明显的层状结构。经改性后，阳离子在体系中的不均匀分布导致极性微区(PNR)的存在，这种极性微区使得非均匀区域有一系列不同的Tc点，形成了一个非常平缓的介温谱，体系呈现越来越强的介电弛豫行为。在NBT含量x=0.25时，陶瓷在-55-125℃间的容温变化率在±15％范围内，εr'～1110；在x=0.3时，陶瓷在-40.177℃间的容温变化率在±15％范围内，εr'～1020。适量的NBT含量会抑制相应的极化活性，从而表现出较好的温度稳定性。
　　 2.随着NBT含量增加，(1-x)BT-xNBT(0.04≤x≤0.3)体系介电行为呈现介电弥散现象，在x=0.08时，具有较高的居里温度，Tm～140℃，TEM探测到晶粒中含有大量铁电畴结构。少量Yb3+、Dy3+稀土离子掺杂BT-NBT体系形成了核壳结构，包括三个区域：核、壳以及它们之间的浓度梯度区域。
　　 稀土改性陶瓷体系的介温谱具有双峰结构特色谱图，明显改善体系的容温稳定性，其中0.92BT-0.08NBT-0.015Yb2O3陶瓷改性最为明显，在-20-170℃之间容温变化率小于15％，εr'～2000。
　　 Yb2O3-MgO共掺杂对0.92BT-0.08NBT体系中，MgO能抑制晶粒长大与Core-Shell结构中Core的长大，并能有效改善低温端的容温稳定性，高温段损耗tanδ也明显降低；当MgO掺杂量为0.005时，样品满足容温变化率在±15％范围内的温度区间为-55-170℃，εr'～2000。
　　 通过对上述体系微结构与介电行为的分析表明：稀土掺杂BT-NBT陶瓷体系中，Core-Shell结构的形成，使得体系表现出双峰特色的介温谱，其中介温峰T1主要由体系中的铁电畴贡献，而宽介温峰T2主要由壳以及浓度梯度区域贡献，因此介温峰T2对当前体系的组成尤为敏感。Core-Shell结构中的内应力，也是导致体系中介温峰展宽(弥散)、介温峰移动、介温峰强变化等介温行为发生改变的关键因素。